Knallgaszelle

Physikepoche Klasse 11
Elektrizitätslehre
Einleitung
Elektrizität, elektrische Ladungen, Magnetismus, elektromagnetische Felder, Radioaktivität, dass sind Phänomene die zu
unserer natürlichen Umwelt gehören. Diese Phänomene sind nicht nur Teil der unbelebten Natur, sondern sie spielen
teilweise auch eine wichtige Rolle in den Lebensprozessen.
In der Auseinandersetzung mit der Natur, hat der Mensch diese Erscheinungen und Phänomene immer genauer studiert
und ihre Gesetzmäßigkeiten aufgedeckt, verstanden und sie zu seinem Nutzen und leider auch zu seinem Verderb
eingesetzt.
Die Nutzung des elektrischen Stromes und der Kernenergie hat die Gesellschaft und ihre Arbeitswelt einschneidend
verändert. Aber auch schreckliche Kernwaffen bedrohen noch heute unsere ganze Erde.
Es ist unsere Aufgabe, diese physikalisch technischen Grundlagen unserer modernen Gesellschaft zu verstehen, nicht
zuletzt, um einem Missbrauch entgegenwirken zu können.
An welchen Themen werden wir in dieser Epoche
arbeiten?
-Elektrische Ladungen und elektrische Felder
-Magnetismus, magnetische Influenz, Erdmagnetfeld
-Der elektrische Gleichstromkreis (Spannung, Strom, Widerstand, Leistung)
-Elektrische Leitfähigkeit (Leiter, Halbleiter, Supraleitung, Braunsche Röhre)
-Induktion und Selbstinduktion (Transformator, Elektromotor)
-Der Wechselstromkreis (elektromagnetischer Schwingkreis)
-Aufbau der Materie (Atommodell)
-Das Periodensystem der Elemente
-Der radioaktive Zerfall (Isotope α−, β−, γ− Strahlung)
-Die Kernspaltung / Kernfusion
Elektrostatik
Lehre von den ruhenden Ladungen
Die elektrische Ladung
Nichtleiter lassen sich durch Reiben elektrisch laden. Mit Hilfe einer Glimmlampe oder anderen geeigneten
Geräten lässt sich die Ladung anzeigen. Auch isolierte Metallteile können Ladungen aufnehmen, wenn man sie
mit einer elektrischen Ladungsquelle in Kontakt bringt.
Versuch 1
Trennen von zwei Folien und prüfen mit Glimmlampe oder Elektrometer.
Ladungen auf Nichtleitern lassen sich trennen
Versuch 2
Isolierte Metallkugel wird an Stromquelle gehalten und anschließend ein
Elektrometer entladen. Es gibt zwei Sorten von Ladungen.
Die elektrische Ladung
Versuch 3
Wir zeigen, dass sich gleichartige Ladungen abstoßen und
entgegengesetzte Ladungen sich anziehen. elektrisch
geladene Körper üben Kräfte aufeinander aus
Versuch 4
Wir laden ein Elektroskop positiv auf und anschließend berühren wir es mit
einer negativ geladenen Kugel positive und negative Ladungen
gleichen sich aus.
Daraus kann man die folgende Vorstellung ableiten:
In allen Körpern sind elektrische Ladungen vorhanden. Bei nicht geladenen Körpern ist die Menge der positiven und
negativen Ladungen gleich. Sie neutralisieren sich.
Reibt man Körper aneinander, so kann der eine Körper vom anderen Ladungen abstreifen. Es findet eine
Ladungstrennung statt.
Anderen Untersuchungen haben gezeigt, dass ein negativ geladenes Elementarteilchen das Elektron für dieses
Verhalten verantwortlich ist. Negativ geladene Körper haben demnach einen Überschuss an Elektronen und positiv
geladene Körper einen Mangel an Elektronen.
Das Elektrometer
Mit dem Elektrometer lassen sich
Elektrische Ladungen nachweisen.
Berührt man das Elektrometer mit
Einem geladenen Gegenstand, dann
Fließen die Ladungen in das Elektrometer.
Rahmen und Zeiger tragen die gleiche
Ladung und stoßen sich deshalb ab.
Berührt man das Elektrometer mit einem
Isolator auf dem sich die entgegengesetzte
Ladung befindet, so gleichen sich die
Ladungen aus und der Zeiger fällt zurück
In die Ausgangsstellung.
Wenn man das Elektrometer erdet, fließen
Die Überschüssigen Ladungen in die Erde
ab.
Die Ladungsmessung und Ladungseinheit
Um Ladungen zu messen, müsste man die Anzahl der Elementarladungen bestimmen. Da Elektronen nicht einmal
im Mikroskop sichtbar sind, ist ein direktes Zählen unmöglich. Man misst sie indirekt mit einer Knallgaszelle.
Die erzeugte Knallgasmenge ist ein Maß für die transportierte Ladung.
Die Ladung von 1Coulomb bildet in einer Knallgaszelle (bei
20°C und Normaldruck) 0,19cm³ Knallgas.
Man kann zeigen, dass an der Bildung dieser
Knallgasmenge 6 250 000 000 000 000 000 Elektronen
beteiligt sind.
Daraus kann man die Ladung eines Elektrons bestimmen.
Sie beträgt 1,6*10-19C und heißt Elementarladung.
Die Einheit der elektrischen Ladung ist das Coulomb (1C).
Das Elektrische Feld
Elektrische Ladungen sind stets von elektrischen Feldern umgeben. Bringt man einen elektrisch geladenen Körper
in solch ein elektrisches Feld, dann erfährt dieser eine Kraft und er bewegt sich entlang bestimmter Linien,
den Feldlinien.
Feldlinien
-Die Richtung der Feldlinien gibt die Richtung der Kraft auf
einen positiv geladenen Körper an.
Feldlinien verlaufen immer von einer positiven zu einer
negativen Ladung und kreuzen sich nie.
Liegen die Feldlinien dicht bei einander ist die Kraft groß, liegen sie weit auseinander ist die Kraft klein.
Feldlinien stehen immer senkrecht auf leitenden Flächen.
Feldlinien konzentrieren sich auf Spitzen, so das dort die Kräfte sehr groß werden (Blitzableiter)
In Längsrichtung üben Feldlinien einen Zug aus: sie möchten sich verkürzen. So erklärt sich die anziehende
Wirkung zwischen ungleichen Ladungen.
In Querrichtung stoßen Feldlinien einander ab. So erklärt sich die abstoßende Kraft zwischen gleichen
Ladungen.
Um eine einzelne Punktladung herum sind die Feldlinien kugelsymmetrisch verteilt.
Sichtbarmachen von Feldlinien
Versuch 5
In eine flache Glasschale wird eine dünne Schicht Rhizinusöl gegossen (einige mm). Als Elektroden dienen runde bzw.
stangenförmige Messingstücke. Das Ganze wird auf einem Overhead- Projektor aufgebaut und die Elektroden mit den Polen
der Influenzmaschine verbunden. Man streut Hartweizengrieß auf die Rhizinusoberfläche und lädt die Elektroden auf. Die
Grießkörner bilden dann entlang der Feldlinien Ketten. Folgende Anordnungen lassen sich demonstrieren: Monopol, Dipol,
Punktladung gegen Platte, Plattenkondensator, Quadropol.
Versuchsergebnisse
Feldlinienbilder
Influenz
Wird ein ungeladener Körper in ein elektrisches Feld gebracht, bewirken die Kräfte des
Feldes bei Leitern eine Verschiebung der Ladungen (Versuch 7). Bei Nichtleitern entstehen
im inneren Dipole. Diese Dipole sind auf einer Seite positiv und auf der anderen Seite
negativ polarisiert. Sie sind aber im Nichtleiter nicht verschiebbar. Dieses Phänomen
bezeichnet man als Influenz. Durch die Ladungsverschiebung oder die Entstehung von
Dipolen erfährt ein anfangs ungeladener Leiter oder Nichtleiter im elektrischen Feld auch
eine anziehende Kraft (Versuch 6).
Versuch 6
Bringen wir in die Nähe eines
Wasserstrahles einen elektrisch geladenen
Stab, so beobachten wir, dass dieser zum
Stab hin abgelenkt wird.
Versuch 7
Wir schließen zwei Kondensatorplatten an eine Hochspannungsquelle an. Zwischen die Platten bringen wir zwei sich horizontal
berührende isolierte Metallkugeln. Wir trennen die Metallkugeln im
Feld des Plattenkondensators und nehmen sie anschließend aus dem
elektrischen Feld heraus. Am Elektrometer können wir nachweisen,
das die Kugeln verschiedene Ladungen enthielten.
Kräfte im elektrischen Feld
Der Französische Physiker Charles Augustin de Coulomb (1736 – 1806) konnte 1789 durch genaue Messungen
nachweisen, dass die Kraft zwischen zwei Ladungen umgekehrt proportional zum Quadrat ihrer Abstände ist. Weiterhin
hat er festgestellt, dass die Kraft direkt proportional zur Größe der Ladung ist.
(1)
F = k⋅
q1 ⋅ q 2
d2
k Coulombkonstante
k ≈ 9 ⋅109 Nm2 / C2
Die elektrische Kraft ist etwa 1020 mal stärker als die
Gravitationskraft!
Aufgabe 1
Aufgabe 1
Die Mittelpunkte zweier Kupferkugeln mit einem Durchmesser von je 4cm haben einen Abstand von 20cm. Die Dichte von
Kupfer beträgt 8,9g/cm³.
Die Kugeln tragen entgegengesetzte Ladungen gleicher Größe (120µC). Welche elektrostatische Kraft wirkt zwischen
diesen Kugeln? Ist diese Kraft Anziehend oder Abstoßend?
Die eine Kugel ist an einem Stativ angebracht und die andere Kugel befindet sich unter der ersten Kugel. Was passiert
wenn die untere Kugel freigegeben wird. Beweise deine Behauptung rechnerisch (lassen sie ihr Wissen aus der Mechanik
einfließen).
Technische Anwendungen
Der Kondensator
Feldlinien zwischen zwei elektrisch
geladenen Platten
Ein Kondensator besteht aus zwei Metallflächen, die sich in
geringem Abstand gegenüberstehen und zwischen denen sich ein
elektrisch nichtleitendes Material ein Dielektrikum befindet.
Schließt man die beiden Platten an eine elektrische Quelle an, so
werden so beide Platten gleich stark, aber verschiedenartig geladen.
So lassen sich auf einem Kondensator Ladungen speichern. Es gibt
je nach Verwendung verschiedene technische Ausführungen des
Kondensators.
Speichervermögen eines Kondensators
Die Kapazität, d.h. die Menge der Ladungen, die auf den Kondensatorplatten Platz finden, hängt von der
Fläche A der sich gegenüberliegenden Metallplatten ab. Das leuchtet unmittelbar ein. Durch Rechnungen,
die wir noch nicht nachvollziehen können, kann man zeigen, dass die Anzahl der zu speichernden Ladungen
indirekt proportional zum Abstand der Platten ist. Weiterhin hängt die Kapazität noch von einer
Materialkonstante desjenigen Materiales ab, welches sich zwischen den Platten befindet (Dielektrikum).
Die Maßeinheit für die Ladungskapazität ist das Farad benannt zu Ehren das Englischen Forschers Michael
Faraday (1791 – 1867).
A
C = ε0 ⋅ εr ⋅
d
ε 0 Dielektrizitätskonstante des Vakuums
εr
ε 0 = 8,8542 ⋅10 −12
F
m
relative Dielektrizitätskonstante des Materials
Im Dielektrikum entstehen durch Influenz Dipole, die es
ihrerseits ermöglichen mehr Ladung auf den Metallflächen des
Kondensators zu speichern. Ein Dielektrikum erhöht also auf
jeden Fall die Kapazität des Kondensators (ε r > 1 ).
(2)
Versuch Kondensators
Versuch 8
Ein Elektrolytkondensatoren wird mit einer Ladungsquelle verbunden und aufgeladen (Schalterstellung „Blau“)
Wir bringen die Schalter in Stellung „Rot“ und beobachten was mit der Glühlampe passiert.
Aufgabe 2
Welche Fläche müssen die Metallfolien eines Wickelkondensators haben, damit dieser eine Kapazität von 5µF
besitzt. Der Abstand der beiden Metallfolien beträgt 0,01mm und die relative Dielektrizitätskonstante des
Dielektrikums (Papier) ist e = 2.
Versuche zum Magnetismus
Versuch 9
Versuch 10
Versuch 12
Versuch 11
Magnetismus
Der Magnetismus ist seit dem 4.Jahrhundert vor Christus in China bekannt. Damals wurde auch der Kompass erfunden,
der sich erst im 11.Jh in Europa verbreitete.
Aus den Versuchen 9 – 12 können wir folgende Wirkungen des Magnetismus ableiten:
- Mit einem Magneten lassen sich Kräfte auf magnetisierbare Stoffe (Eisen, Nickel, Kobalt) ausüben. Diese
Kraftwirkungen durchdringen Vakuum, Luft und andere nichtmagnetisierbare Stoffe ungehindert.
- An den Polen eines Magneten sind die magnetischen Kräfte am größten.
- Eine Magnetnadel stellt sich in Nord-Süd-Richtung ein. Ihr nach Norden weisender Pol heißt Nordpol
und der nach Süden weisende Pol Südpol.
-Gleichnamige Pole stoßen einander ab, ungleichnamige Pole ziehen sich an.
-Orte gleicher Kraftwirkung werden durch Linien verbunden, die die so genannten Feldlinien bilden.
Magnetische Influenz
Alle magnetisierbaren Stoffe bestehen aus winzigen Bereichen, die sich wie kleine Magnete verhalten. Wir
nennen diese Bereiche Elementarmagnete.
Sind die Elementarmagnete ungeordnet, so heben sich ihre Wirkungen außerhalb des Körpers auf. Der Körper
ist in diesem Fall kein Magnet. Ist dagegen die Mehrzahl der Elementarmagnete in eine Richtung ausgerichtet,
so wirkt der Körper als Magnet.
Lassen sich in einem magnetisierbaren Stoff die Elementarmagnete leicht ausrichten, so heißt der Stoff
magnetisch weich. Die Magnetisierung geht aber auch leicht wieder verloren. Solche Stoffe eignen sich zum
Abschirmen magnetischer Kraftwirkungen.
Stoffe mit schwer veränderbaren Elementarmagneten nennt man magnetisch harte Stoffe. Aus ihnen
stellt man Dauermagnete her.
Erdmagnetfeld
Das Magnetfeld der Erde ist auf Grund des komplizierten
Entstehungsprozesses, ständigen Schwankungen
unterworfen.
Wie man aus der Verschiedenheit von geographischen
Nordpol und magnetischen Südpol schließen kann, weist der
Nordpol einer Kompassnadel nicht exakt in den
geographischen Norden. Man bezeichnet den Winkel
zwischen der Achse, der Kompassnadel und der
geographischen Nordrichtung als Deklinationswinkel. Der
Deklinationswinkel für München beträgt ca. 1,1° West.
Der magnetische Südpol wandert derzeit jährlich etwa 7,5km
in nördliche Richtung. Aus der Magnetisierung vulkanischer
Gesteine hat man herausgefunden, dass sich die Richtung
des Erdmagnetfeldes etwa alle 500000Jahre umkehrt. Der
Umpolungsvorgang dauert etwa 5000 Jahre.
Die Feldlinien des Erdmagnetfeldes sind nicht parallel zur
Erdoberfläche. Den Winkel zwischen einer zur Erdoberfläche
parallelen Ebene und der Feldlinie bezeichnet man als
Inklinationswinkel. Er beträgt in Deutschland ca. 60°.
Versuch Erdmagnetfeld
Versuch 13
Bestimmung des Inklinationswinkels im Klassenzimmer
Das Erdmagnetfeld in der Natur
- Viele Tiere (Vögel, Bakterien, Delphine) besitzen die Fähigkeit das Erdmagnetfeld wahrzunehmen und sich nach
ihm zu orientieren.
- Das Erdmagnetfeld umgibt unsere Erde wie ein Schutzschild. Elektrisch geladene Teilchen die in großer Zahl von der
Sonne zur Erde gelangen, werden vom Erdmagnetfeld eingefangen und zu den Polen geleitet, wo sie die Polarlichter
erzeugen.
Elektrodynamik
Lehre von den bewegten Ladungen
Die Stromstärke
Verbindet man zwei entgegengesetzt geladene Metallplatten mit einem elektrisch leitenden Material, dann strömen
die Elektronen von der negativ geladenen Platte zur positiv geladenen Platte. Es fließt ein elektrischer Strom.
Je mehr Elektronen in einer Zeiteinheit fließen, desto größer ist der elektrische Strom.
Die elektrische Stromstärke ist der Quotient aus der Ladung Q, die durch einen Leiterquerschnitt fließt und
der dafür benötigten Zeit.
Ladung
Stromstärke =
Zeit
Q
I=
t
(3)
Die Einheit der elektrischen Stromstärke ist das Ampere.
Die Stromstärke beträgt 1A, wenn in 1s durch den Leiterquerschnitt die Ladung 1C bewegt wird.
C
1A = 1
s
Aufgabe 3
Durch den Bügel der Berliner S-Bahn fließt bei normaler Fahrt ein Strom von 400A. Welche Ladungsmenge ist in
1h durch den Bügel geflossen. Wie viel Liter Knallgas könnte man mit dieser Ladungsmenge erzeugen?
Versuch zur Stromstärke
Versuch 14
Ein Kondensator hat eine Ladungsmenge Q gespeichert. Wir verbinden die beiden entgegengesetzt geladenen
Metallplatten mit einer Glühlampe und Kupferdraht zu einem geschlossenen Stromkreis. Wir messen die Zeit, die
die Lampe leuchtet und den Strom, der am Anfang fließt.
Versuchsauswertung:
Multiplizieren wir den Strom mit der Brenndauer der Lampe (Durchschnittswerte verwenden) so erhalten wir
ungefähr die Ladungsmenge, die im Kondensator gespeichert war.
Elektrische Spannung
Zwischen 2 Punkten mit unterschiedlicher elektrischer Ladung besteht eine elektrische Spannung. Diese Spannungsdifferenz
ist bestrebt sich auszugleichen. Die Spannung ist die Ursache für den elektrischen Strom. Die elektrische Spannung ist ein
Maß für die Stärke einer Spannungsquelle.
Elektrische Spannungsquellen
Elektrische Spannungsquellen besitzen immer zwei Pole, mit unterschiedlicher Ladung. Auf der einen Seite ist der
Pluspol, mit einem Mangel an Elektronen. Auf der anderen Seite ist der Minuspol mit einem Überschuss an
Elektronen.
+ -
Entsteht eine Verbindung zwischen den Polen, fließt ein elektrischer Strom I solange, bis sich die Ladungen
ausgeglichen haben und die Spannung „0“ wird.
Die Einheit der Spannung ist das Volt [V]. Das Formelzeichen der elektrischen Spannung ist U.
Versuch zur Spannung
Versuch 15
Ein Kondensator hat eine Ladungsmenge Q gespeichert. Wir verbinden die beiden entgegengesetzt geladenen
Metallplatten mit einer Glühlampe und Kupferdraht zu einem geschlossenen Stromkreis. Wir beobachten den
Spannungsverlauf am Voltmeter und die Helligkeit der Glühlampe
Versuchsauswertung:
Die Lampe brennt erst hell und wird dann immer dunkler.
Parallel zum Dunkel werden der Lampe fällt auch die
Spannung am Kondensator ab, bis sie schließlich Null wird.
Gleichspannungsquellen
Gleichspannungsquellen entstehen auf der Basis elektrochemischer Vorgängen, bei denen elektrisch
leitende Elektroden in Elektrolytlösungen tauchen. Dabei entsteht eine elektrische Spannung zwischen den
Elektroden. Werden die Elektroden mit einem Leiter verbunden so fließt ein elektrischer Strom, solange bis
die elektrochemischen Vorgänge zum Erliegen kommen.
Quelle
Spannung [V]
Solarzelle
0,5
Knopfzelle
1,35
Mignonzelle
1,5
Monozelle
1,5
Stabbatterie
3
Flachbaterie
4,5
Fahraddynamo
6
Blockbatterie
9
Autobaterie
24
Blitz
einige Millionen
Versuch Voltaelement
Versuch 16
Wir stellen uns ein Voltaelement her und
messen die entstehende Spannung
Zusammenschaltung von mehreren Spannungsquellen
Reihenschaltung Versuch 17
U Ges = U1 + U 2 + U 3
(4)
Die Gesamtspannung ist gleich der Spannung
der Summe der Spannung der Einzelquellen.
Parallelschaltung Versuch 18
U ges = U1 = U 2 = U 3
Die Gesamtspannung ist gleich der Spannung
Der Einzelquellen.
Vorsicht bei Quellen unterschiedlicher Spannung.
Diese können beschädigt werden.
(5)
Aufgabe 4
Welche Gesamtspannung erzeugt die dargestellte Zusammenschaltung von Monozellen?
Elektrische Spannungen in der Natur
Es gibt etwa 200 Arten von elektrischen Fischen. Zitterrochen, Zitteraal und Zitterwels haben
besondere Organe, die Stromstöße mit Spannungen bis 800V erzeugen können.
Bei allen Lebewesen findet die Übertragung von Nervenreizen im Körper durch den Auf- und Abbau
Von Spannungen in den Nervenzellen statt.
Bestimmte Fische orientieren sich im trüben Wasser mit Hilfe elektrischer Felder.
Der elektrische Gleichstromkreis
Nur in einem geschlossenen Stromkreis können die elektrischen Ladungsträger vom negativen Pol der
Spannungsquelle zum positiven Pol wandern und ihre Wirkungen in den Teilen des Stromkreises entfalten. Ein
geschlossener Stromkreis entsteht, wenn zwischen negativen und positiven Pol der Spannungsquelle eine für die
Ladungsträger passierbare Verbindung besteht. In einem Stromkreis können die Ladungsträger auf verschiedenen
Wegen zur Spannungsquelle zurückgelangen. Ein Stromkreis kann also verschiedene Zweige besitzen.
Wir können in einen elektrischen Stromkreis nicht hineinschauen. Unser Wissen über den elektrischen Strom beruht
allein auf der Beobachtung seiner Wirkungen.
Unverzweigter Stromkreis
Versuch 19
Verzweigter Stromkreis
Versuch 20