6er Script - Physik Jgst 9
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0. Kapitel 0.1 Material Ihr braucht: - 1 A4 Schnellhefter - Füller, Buntstifte, Bleistift, Radiergummi, Geodreieck 0.2 Was ist Physik? Auszug aus wikipedia: „Die Physik (griechisch φυσική, physike „die Natürliche“) ist die grundlegendste Naturwissenschaft, da die Gesetze der Physik alle Vorgänge der Natur beschreiben sollen ....“ Zwingend notwendig bei allen Naturwissenschaften ist die streng wissenschaftliche Arbeitsweise: - Die Natur wird mit wiederholbaren Experimenten untersucht. Alle Versuchsbedingungen und Ergebnisse müssen genau dokumentiert werden. Bereiche der Physik in der 6. Jahrgangsstufe: 1. Wärmelehre (Temperatur und Wärmeenergie) 2. Elektrizität (Strom und einfache elektrische Geräte) 3. Akustik (Schall und Hören) 4. Optik (Licht, Farben und Sehen) Kapitel 1: Wärmelehre 1.1 Ausdehnung von Stoffen bei Erwärmung 1. Experiment Material: 1 Flasche Luft 1 Münze Etwas Wasser. Warme Hände. Versuchsdurchführung: Man legt die angefeuchtete Münze so auf die Flaschenöffnung, das diese ganz verschlossen wird, und erwärmt dann die Flasche mit den Händen. Beobachtung: Die Münze beginnt sich in regelmäßigen Abständen zu heben und es gibt ein Klappergeräusch. Erklärung: Die Wärme der Hände sorgt dafür, dass sich die Luft in der Flasche ausdehnt. Da die Luft mehr Platz braucht, hebt sie die Münze an und entweicht. Merksatz: Gase dehnen sich bei Erwärmung aus, d.h. sie vergrößern ihr Volumen. Was bedeutet eigentlich der Begriff Gas? Mit dem Fachbegriff Gas ist nicht das brennbare „Gas“ der „Gasheizung“ gemeint, sondern alle Gase! Luft ist z.B. ein Gasgemisch und besteht hauptsächlich aus den Gasen Stickstoff (78%), Sauerstoff (20%) und Argon (1%). Gase sind beliebig formbar und lassen sich leicht zusammenpressen. Die meisten Gase sind farblos und durchsichtig. Wasser dagegen ist eine Flüssigkeit, da Wasser zwar auch beliebig formbar ist, sich aber nur schwer zusammenpressen lässt. Außerdem bildet Wasser wie alle Flüssigkeiten Tropfen. Wenn Flüssigkeiten bis zum Siedepunkt erhitzt werden, beginnen sie zu kochen und werden zu Gasen! Dann gibt es noch die festen Stoffe, sie werden bei einer bestimmten Temperatur, dem Schmelzpunkt flüssig. Bei einer noch höheren Temperatur (siehe oben: Siedepunkt) werden sie auch gasförmig. Jeder Stoff ist also entweder fest, flüssig oder gasförmig und das hängt von seiner Temperatur ab. 2. Experiment Material: 1 Flasche Luft 1 Luftballon Kaltes Wasser. Warmes Wasser. Versuchsdurchführung: Man stülpt den Luftballon über die Flaschenöffnung. Dann hält man die Flasche in warmes, anschließend in kaltes Wasser. Beobachtung: Im warmen Wasser wird der Ballon aufgeblasen, im kalten Wasser wir er wieder schlapp. Erklärung: Im warmen Wasser dehnt sich die Luft in der Flasche aus, im kalten Wasser zieht sie sich wieder auf die alte Größe zusammen. Merksatz: Gase ziehen sich bei Abkühlung zusammen, d.h. sie verringern ihr Volumen. Wenn Gase sich bei Erwärmung ausdehnen, so könnte dies auch für Flüssigkeiten gelten, oder? 3. Experiment: Ausdehnung von Flüssigkeiten Wir füllen die Flasche aus Experiment 2 vollständig mit Wasser und setzen den Ballon auf. Dann wiederholen wir das Experiment. Was fällt euch auf? Um die Ergebnisse von Experiment 3 zu überprüfen, führen wir ein genaueres Experiment durch: 4. Experiment: Ausdehnung von Flüssigkeiten mit dünnem Steigrohr Material: 1 Steigrohr mit Stopfen 1 Glaskolben gefärbtes Wasser ein warmes Wasserbad Versuchsdurchführung: Man füllt das gefärbte Wasser in den Kolben bis dieser voll ist und steckt das Steigrohr mit Stopfen auf. Dann steckt man den Kolben in das Wasserbad. Beobachtung: Das Wasser wird in das Steigrohr gedrückt und steigt hoch. Erklärung: Auch Wasser dehnt sich aus, wenn man es erhitzt, allerdings lange nicht so stark wie Luft. Da nur wenig Wasser aus der Flasche benötigt wird, um das dünne Steigrohr zu füllen, kann man den Effekt mit diesem Hilfsmittel trotzdem deutlich sehen! Die Färbung des Wassers hilft dabei zusätzlich. Merksatz: Auch Flüssigkeiten dehnen sich bei Erwärmung aus und ziehen sich bei Abkühlung zusammen. Allerdings ist die Änderung des Volumens wesentlich geringer als bei Gasen. 5. Experiment: Ausdehnung einer Eisenkugel Material: 1 Eisenkugel 1 zur Kugel passendes Loch 1 Bunsenbrenner Versuchsdurchführung / Beobachtung / Erklärung: - bitte selbst ergänzen - 1.2 Was ist Wärme? (Dazu zunächst: Aufbau der Materie) Alle Stoffe bestehen aus Atomen. Atom: Die Atome sind Grundbausteine der Materie. Sie sind die kleinste Einheit, in die sich Materie mit chemischen oder mechanischen Mitteln zerlegen lässt. Der Name „Atom“ leitet sich vom griechischen ἄτομος/átomos, α-τεμνω ab, was „das Unzerschneidbare“ bedeutet. Anfang des 20. Jahrhunderts wurde entdeckt, dass Atome aus einer durch Elektronen gebildeten Atomhülle und einem Atomkern bestehen. Es gibt 118 „Atomsorten“oder Elemente, die man im Periodensystem der Elemente nachschlagen kann. Fast immer schließen sich die Atome zu Molekülen zusammen. So besteht das Wassermolekül aus zwei Wasserstoff- und einem Sauerstoffmolekül. Was ist Wärme? Im 18. Jahrhundert sah man die Wärme als gewichtslosen Stoff, der in die feinsten Poren eindringt und so zum Beispiel die Ausdehnung der Thermometerflüssigkeit verursacht. Diese Wärme bezeichnete man als "Caloricum" oder auch "Phlogiston". Die Stofftheorie der Wärme kam am Ende des 18. Jahrhunderts u.a. durch Experimente in der bayerischen Kanonenbohrerei in München in Schwierigkeiten. Im Jahre 1798 unternahm Benjamin Tompson, der spätere Graf Rumford folgenden Versuch: • Rumford ließ einen stumpfen Bohrer im Inneren eines Kanonenrohres laufen. Nach kurzer Zeit wurden das Rohr glühend heiß und das zur Kühlung verwendete Wasser kam zum Sieden. Der Versuch nahm auch nach sehr vielen Wiederholungen immer den gleichen Ausgang. Wenn Wärme ein Stoff wäre, der durch den Bohrvorgang aus dem Stahl ausgetrieben wird, dann müsste der Wärmestoff irgendwann zur Neige gehen. Da dies aber nicht der Fall war, kamen Zweifel an der Phlogiston-Theorie auf. Die Entdeckung der Wärmebewegung Als brownsche Bewegung (oder brownsche Molekularbewegung) wird die vom schottischen Botaniker Robert Brown im Jahr 1827 wiederentdeckte Wärmebewegung von Teilchen bezeichnet. Dabei beschreibt jedes Atom oder Molekül eine Bewegung, deren Ausmaß temperaturabhängig ist. Weniger bekannt ist, dass bereits 1785 Jan Ingenhousz die Bewegung von Holzkohlestaub auf Alkohol beschrieb. Brown beobachtete unter dem Mikroskop, wie Pollen in einem Wassertropfen unregelmäßig zuckende Bewegungen machten. Mittlerweile weiß man: Wärme ist eine Bewegung der Moleküle. Um zu verstehen, warum sich verschiedene Stoffe unterschiedlich ausdehnen, müssen wir noch etwas „ausholen“. 1.3 Warum ist Wasser flüssig? 6. Experiment: Wasser wird von elektrischen Kräften stark beeinflusst Material: 1 Lineal aus Kunststoff 1 Tuch, möglichst Synthetik Wasserstrahl aus dem Wasserhahn Versuchsdurchführung: Man reibt das Lineal mit dem Tuch um es elektrisch aufzuladen. Ob es wirklich geladen ist, kann man sehen in dem man es jemanden an die Haare hält - die sollten sich in der Nähe des Lineals hochstellen. Nun hält man das Lineal neben den Wasserstrahl. Beobachtung: Das Wasser wird zum Lineal hin abgelenkt. Erklärung: Wasser reagiert auf elektrische Ladungen: Das funktioniert so: Das Wassermolekül hat zwei positiv geladene Enden (den Wasserstoff) und ein negativ geladenes Ende (den Sauerstoff). Wenn z.B. positive Ladungen in der Nähe sind, dreht sich die Wassermoleküle mit dem negativen Enden dorthin, denn: Ungleiche Ladungen ziehen sich an. Dann wollen die negativen Enden noch näher an die positive Ladung (das Lineal) und der Wasserstrahl wird abgelenkt. Wenn kein Lineal in der Nähe ist, dann drehen sich die Wassermoleküle möglichst so, das ihre positiven Seiten an den negativen Seiten des nächsten Wassermoleküls liegen. Dadurch ziehen sich die Wassermoleküle gegenseitig an und sie haften aneinander. Wie eine große Reisegruppe machen sie sich so meist gemeinsam auf den Weg, daher gibt es Wassertropfen oder Wasserstrahlen. Die Wassermoleküle wollen mit möglichst vielen anderen Wassermolekülen zusammen sein. Wasser und Wärme: 1. Wenn es sehr kalt ist, bewegen sich die Moleküle kaum. Dann können sie sich in ihre Lieblingsordnung sortieren, die nennt man Eis. Weil dann jedes Molekül seinen optimalen Platz hat, will es sich von dort nicht mehr wegbewegen - deswegen ist Eis fest. Wenn man Eis erwärmt, dehnt es sich etwas aus. Da die Moleküle mehr wackeln, brauchen sie mehr Platz. 2. Wenn man Eis über 0 Grad erwärmt, wir es flüssig und braucht etwas weniger Platz. Das liegt daran, dass die Wärmebewegung nun so stark ist, dass die Moleküle oft ihre Lieblingsplätze verlassen müssen. Da die Lieblingsplatzordnung etwas mehr Platz braucht als eine chaotisch zusammenhängende Wasser-“Reisegruppe“ ist dies etwas platzsparender als vorher und zudem sind nun alle beweglich. Wenn man das Wasser weiter erhitzt, dehnt es sich weiter aus und zwar stärker als Eis. 3. Wenn man das Wasser über 100 Grad erwärmt, wird es gasförmig und verdampft. Nun ist die Wärmebewegung so stark, dass einzelen Wasssermoleküle aus der Reisegruppe hinausgeschleudert werden und alleine weiterfliegen - das nennt man Gas. Wasserdampf kann man übrigens nicht sehen, so wie viele glauben. Was man über dem Topf sieht das ist schon wieder Wasser - in Form von winzigen Tröpfchen. Die kalte Luft kühlt den aufsteigenden Wasserdampf nämlich schnell unter hundert Grad ab und die Wassermoleküle finden sich wieder zu Tröpfchen zusammen. Wenn man das Gas Wasserdampf weiter erhitzt, dehnt es sich weiter aus, und zwar stärker als Wasser. (Ein Experiment dazu: Kleine Eisenkugeln sind in einem Gefäß mit beweglichen Deckel und eine Rüttelplatte am Boden untergebracht. Schaltet man das Gerät ein, springen die Eisenkugeln wild herum und der Deckel wird hoch gehoben. So kann man sich ein Gas vorstellen). So wie beim Wasser geht es mehr oder weniger bei allen Stoffen zu: Feste Stoffe bestehen aus Molekülen, die fest aneinander hängen. Sie dehnen sich bei Erwärmung nur wenig aus. Die Stärke der Ausdehnung hängt auch vom Stoff ab! Flüssige Stoffe bestehen aus Molekülen, die lose aneinander hängen. Sie dehnen sich bei Erwärmung stärker aus. Die Stärke der Ausdehnung hängt auch vom Stoff ab! Gasförmige Stoffe bestehen aus Molekülen, die gar nicht aneinander hängen und einzeln herum fliegen und dabei oft aneinander stoßen (stellt euch einen Haufen verrückt gewordener Flummi's vor). Gase dehnen sich bei Erwärmung noch stärker aus. Bei Gasen ist es auch egal, aus welchen Molekülen das Gas besteht, die Ausdehnung ist bei verschiedenen Gasen gleich und hängt nicht vom Stoff ab! 1.4 Das „Präzisionsdilatometer“, wir messen die Längenänderung verschiedener Metallrohre bei Erwärmung 7. Experiment: Material: 5 Metallrohre 1 Wasserkocher mit dichtem Deckel und Schlauch 1 Längenmessgerät Versuchsdurchführung: Die 5 Metallrohre werden nacheinander eingespannt. Jedes Rohr wird mit dem aus dem Schlauch strömenden Wasserdampf auf 100 Grad aufgeheizt. Die Längenänderung wird gemessen. Ergebnisse: Nr T1 T2 D T L1 L2 D L [mm] Länge mm auf 100 m pro 20 Grad Material Literatur Quelle 1 28 98 70 29 90 0,61 51 119,61 34 32 Buch Cu 2 28 98 70 29 95 0,66 51 129,41 37 Messing 36 (Internet) 3 29 98 69 23 66 0,43 51 84,31 24 Eisen 24 Buch 4 29 98 69 28 110 0,82 51 160,78 47 Alu 48 Buch 5 29 98 69 38 81 0,43 51 84,31 24 Eisen 24 Buch Wie kann man die gemessenen Werte mit denen im Buch vergleichen? Dazu muss man die Ergebnisse umrechnen. Ein Beispiel zum Umrechnen unserer Ergebnisse (siehe erste Zeile): Unser Stab war 51 cm lang und hat sich um 0,61 mm verlängert. Um wie viel mm hätte sich ein 100 m langer Stab verlängert? Zunächst müssen wir die Längenänderung auf einen Zentimeter umrechnen: Teile dazu 0,61 durch 51. Dann folgt die Umrechnung auf einen Meter: Multipliziere das Ergebnis mit 100. Für die Umrechnung auf hundert Meter multipliziere das Ergebnis nochmals mit 100. Es ergibt sich 119,61 mm So sind alle Ergebnisse in der Tabellenspalte „mm auf 100 m“ berechnet worden. Nun müssen wir noch die Temperaturdifferenz anpassen, statt 70 Grad brauchen wir die Änderung für 20 Grad Temperaturdifferenz. Wir müssen zunächst die Längenänderung von 119,61 mm auf ein Grad umrechnen: Teile dazu 119,61 durch 70. Dann rechnen wir auf 20 Grad um: Multipliziere dazu das Ergebnis mit 20. So sind alle Ergebnisse in der Tabellenspalte „pro 20 Grad“ berechnet worden. Die Ergebnisse wurden auf Millimeter gerundet Übrigens: Wie nennt man eine solche Rechnung in der Mathematik? 1.5 Zerstörung durch Temperaturänderung 8. Experiment Ein Eisenbolzen wird durch eine Temperaturänderung zerbrochen. Ergänze bitte selbst die Punkte: Material, Versuchsdurchführung, Beobachtung, Erklärung. - Finde weitere Beispiele für Zerstörungen durch Temperaturänderung. - Finde auch Beispiele wie solche Zerstörungen durch technische Maßnahmen verhindert werden können. - Merkwürdig: Wasser dehnt sich sogar schon aus, wenn es zu Eis wird. Sogar bevor das Wasser bei null Grad friert, nämlich schon unterhalb von 4 Grad Celsius beginnt es mit einer leichten Ausdehnung. Wie nennt man den Effekt? ==> Anomalie des Wassers. Wasser hat bei 4 Grad seine größte Dichte, d.h. bei dieser Temperatur passt am meisten Wasser in ein bestimmtes Volumen. Wasser mit 4 Grad ist daher auch schwerer als wärmeres oder kälteres Wasser. Daher sinkt Wasser mit einer Temperatur von 4 Grad nach unten. Das ist der Grund, warum in einem tiefen See im Winter unten immer noch eine Temperatur von 4 Grad herrscht - das leichtere kalte Wasser bleibt oben. Ein zusätzlicher Effekt kommt hinzu, wenn das Wasser an der Oberfläche gefriert: dann wirkt die Eisschicht wie eine Isolation gegen die Abkühlung des Sees. 1.6 Wärme ist Bewegung - und Bewegung kostet Energie! - Die Bedeutung der Wärmeenergie 9. Experiment ... zeigt die Temperaturerhöhung beim Drehen einer Trommel, wobei dir Trommel von einem Faden umwickelt ist, der von einem Gewicht straff gespannt wird. Die Versuchsperson dreht die Trommel hundert mal (Bewegungsenergie) => Das gespannte Seil reibt an den Molekülen der Trommel (Reibungswärme) => Die Moleküle der Trommel geraten in Bewegung (Wärmenergie) => Es entsteht bei jeder Umdrehung eine bestimmte Menge Wärme => die Trommel wird um einen bestimmten Temperaturbetrag wärmer. Wir stellen fest: Wenn wir der Trommel eine bestimmte Energiemenge zuführen, wird die Temperatur der Trommel um eine bestimmte Gradzahl erhöht. Wiederholen wir den Vorgang, erhöht sich die Temperatur wieder um den gleichen Betrag. Um eine bestimmte Menge eines Stoffes um eine bestimmte Gradzahl zu erwärmen, braucht man eine festgelegte Menge Energie. Man misst eine Energiemenge in Joule. Um 1 Liter Wasser um 1 Grad Celsius zu erwärmen, braucht man 4000 Joule (auch geschrieben als 4 kJ). Die Energie zur Drehung der Trommel wird von der Bewegung des Menschen geliefert. Doch woher kommt seine Energie? (Und woher kommt diese wiederum?) Aufgabe: Versuche die Energie möglichst genau zurück zu verfolgen! Gibt es einen Ursprung? (Nimm auch das Buch zu Hilfe). Eine Lösung wäre: Sonne => Pflanzen => Nahrung => Mensch => Arbeit => Reibungswärme Allerdings könnte man sich auch die Frage stellen, woher die Sonne ihre Energie nimmt. => Aufgabe: Woher nimmt sie Sonne ihre Energie? Wie lange reicht ihr Energie-Vorrat? Eine Auflistung verschiedener Energieformen in der Reihenfolge ihrer Umwandlung nennt man Energiekette. Hier schreibt man auf, woher die Energie kommt und in was sie umgewandelt wird. Am Schluss einer Energiekette steht aber nie: Energie wurde verbraucht und ist weg! Man kann Energie umwandeln, aber man kann sie nicht „wegzaubern“. Das Besondere an der Energie ist, dass sie nicht verloren geht! Sie kann umgewandelt werden, aber die Energiemenge bleibt dabei immer gleich. Eine Energiekette zeigt die verschiedenen Umwandlungsschritte. Am Schluss steht oft die Umwandlung in Wärmeenergie. Es gibt einen Haken bei der Sache: So ist es leicht, die Energie aus der Steckdose (elektrische Energie) zu 100% in Wärme umzuwandeln. Umkehren lässt sich diese Umwandlung aber nur teilweise. Eine Umwandlung von Wärme zu Strom geschieht beispielsweise in Kraftwerken. Die beim Verbrennen von Gas oder Kohle (diese enthalten chemische Energie) entstehende Wärmeenergie wird hier zu einem Anteil von bis zu 40 % in Strom umgewandelt. Der Rest von 60% der Energie ist sogenannte Abwärme. Wissenschaftliche Untersuchungen des Problems haben schon vor über hundert Jahren ergeben, dass es gar nicht möglich ist, Wärmeenergie wieder zu 100% in andere Energieformen zurück zu verwandeln. Man hat festgestellt: Der Wirkungsgrad der Umwandlung ist umso höher, desto heißer eine Wärmequelle ist. Aber wenn die Wärmeenergie erstmal überall verteilt ist, ist die Erwärmung natürlich nur noch sehr gering. Zum Beispiel ist die Erwärmung der Straße durch die Autos, die darüber gefahren sind sehr gering, einfach weil es sich einfach um eine sehr große Menge Asphalt handelt. Keine noch so geniale Maschine kann aus dieser geringen Temperaturerhöhung wieder nutzbare Energie gewinnen. Verteilte Wärmeenergie ist sozusagen ein Art Sackgasse der Energie, eine Art „Energiemüll“, man sagt daher auch die Energie ist entwertet wenn sie zu Wärmeenergie geworden ist. Da bei jeder Umwandlung von Energie immer auch Abwärme entsteht, wird irgendwann jede Energieform in Wärmeenergie umgewandelt. Wenn man Energie sparen will, muss man also möglichst viel mit der Energie anstellen bevor sie zu Wärme wird, denn zu Wärme wird sie sowieso! Energiekette beim Auto: Benzin => Verbrennung im Motor + Wärme am Kühler => Bewegung der Kurbelwelle (+ Reibungswärme ) => Getriebe (+ Reibungswärme ) => Drehung der Antriebswelle (+ Reibungswärme ) => Rollreibung der Reifen auf dem Boden, Luftreibung des Autos sowie Umwandeln der Bewegungsenergie in Wärmeenergie beim Bremsen => Zum Schluss ist die gesamte Energie zu Wärme geworden. Wieso kann das folgende nicht funktionieren oder was ist unsinnig? Erkläre! Der neueste Fortschritt auf dem Gebiet der Fahrzeugtechnik: Fahren ohne Benzinverbrauch! Beim Bremsen wandelt unser Fahrzeug die Bewegungsenergie wieder in Strom um und speichert die Energie in der Batterie bis zum nächsten Anfahren: Sie brauchen nie wieder zu tanken, da keine Energie verloren geht. Sparen Sie Heizkosten: Unsere modernen Elektro-Heizungen wandeln Strom hoch effektiv zu 100% in Wärme um und heizen so wesentlich preiswerter als jede andere Heizung! (Solche Werbung gibt es wirklich!!!) ... an dem Tag war es sehr heiß in unserer Wohnung, aber ich hatte - Gott sei Dank - eine Idee. Ich öffnete die Kühlschranktür und ließ Fenster und Türen fest verschlossen, damit keine Wärme eindringen konnte. Dann stellte ich den Kühlschrank auf maximale Leistung ein. Schon bald wurde es kühler ... Lösung: zu 1) Bei einer Umwandlung von Energie wird immer etwas Energie in Wärme umgewandelt, die nicht mehr genutzt werden kann. zu 2) Die Umwandlung in 100% Wärme ist bei jedem Gerät gegeben! Beim Heizen mit Strom ist der Heizwert daher nur vom verbrauchten Strom abhängig. 3) Der Kühlschrank erzeugt keine Kälte sondern pumpt die Wärme von innen nach außen (hinten an der Rückseite außen sind Rohre, die warm werden) . Wenn man die Tür öffnet, braucht der Kühlschrank einfach mehr Strom - es wird noch wärmer! 1.7 Wir wollen Wasser erhitzen und dabei möglichst viel Energie sparen! Wenn man Wasser erhitzen will, gibt es dazu viele Möglichkeiten. Aber welche ist die beste? Wir wollen herausfinden wie viel Energie als Wärme an die Umgebung verloren geht und wie viel „im Topf“ oder besser „im Wasser“ landet. Dafür müssen wir aber zunächst einmal wissen, wie man die Energie aus der Steckdose „zählt“. Wie viel Energie kommt aus der Steckdose? Am Stromzähler wird die Energie in kWh angezeigt. Eine kWh kostet so ca. 20 Cent. Doch was heißt kWh?? 1 kWh = eine kiloWattStunde (k für kilo also 1000, W für Watt, h steht für Stunde da engl.: hour) Ein Watt ist 1 Joule pro Sekunde. Wenn auf einem Gerät als Leistung „1 Watt“ angegeben ist, braucht es jede Sekunde die Energiemenge 1 Joule, so lange wie es betrieben wird. Die Wattzahl gibt also an, wie viel Joule pro Sekunde ein Gerät verbraucht. Wenn ein Gerät mit 1000 Watt (z.B. ein Haarföhn) eine Sekunde betrieben wird, hat es 1 kWs elektrische Energie verbraucht und damit 1000 Watt * 1 Sekunde = 1000 Joule. Wenn ein Gerät mit 1000 Watt eine Stunde betrieben wird, hat es 1 kWh Energie und damit 1000 Watt * 3600 Sekunde = 3 600 000 Joule verbraucht. Die Energiemenge von 1 kWh entspricht in Joule einer Energiemenge von 3600 kJ. Aufgabe: Man braucht 4 kJ zur Erwärmung von 1 Liter Wasser um ein Grad. Wieviel Liter Wasser könnte man mit 1 kWh um 1 Grad, 10 Grad, 100 Grad erhitzen, wenn beim Erhitzen keine Energie an die Umgebung verloren geht? 10. Experiment: Energieverlust beim Erhitzen von Wasser mit einer Kochplatte Material: Stromzähler, Kochplatte, Kochtopf, 0,5 Liter Wasser, Thermometer, Uhr Durchführung: Wir erhitzen das Wasser von seiner Starttemperatur bis zum Kochen und messen die verbrauchte Energiemenge und die benötigte Zeit. Daten der Klasse 6c: Wassermenge: 0,5 L Starttemperatur: 20 Grad Schlusstemperatur: 100 Grad Dauer des Erwärmens: ca. 10 Minuten Verbrauchte Energiemenge laut Stromzähler: 0,16 kWh Auswertung: 1. Wenn man wissen will wie viel Energie verloren ging, muss man zunächst wissen wieviel Energie im Wasser steckt: Wir brauchen 4 kJ für einen Liter und 1 Grad Erwärmung. Also brauchen wir 2 kJ für 0,5 Liter und 1 Grad Erwärmung. Also brauchen wir 160 kJ für 0,5 Liter und 80 Grad Erwärmung. Benötigte Energie zum Erwärmen des Wassser: 160 kJ 2. Jetzt rechnen wir 0,16 kWh in Joule um: ( 1 Joule ist eine Watt Sekunde, also wenn man ein Gerät mit der Leistung 1 Watt eine Sekunde lang einschaltet) 0,16 kWh = 160 Wh = 160 W * 3600 s = 576 000 Ws = 576 000 J = 576 kJ Verbrauchte Energie zum Erwärmen des Wassser: 576 kJ 3. Jetzt berechnen wir den Energieverlust: Vergeudetet Energie: 576 kJ -160 kJ = 416 kJ wurden unütz an die Umgebung abgegeben anstatt das Wasser zu erwärmen. Das sind in Prozent: Vergeudetete Energie dividiert durch Gesamte Energie * 100 = 416/576*100 = ca. 72% 72 % der Energie gingen bei der Kochplatte unnütz verloren! 11. Experiment: Energieverlust beim Erhitzen von Wasser mit einem Wasserkocher Material: Stromzähler, Wasserkocher, 0,5 Liter Wasser, Thermometer, Uhr Durchführung: Wir erhitzen das Wasser von seiner Starttemperatur bis zum Kochen und messen die verbrauchte Energiemenge und die benötigte Zeit. Daten der Klasse 6 b Wassermenge: 0,5 L Starttemperatur: 19,5 °C Schlusstemperatur: 99,5 °C Dauer des Erwärmens: ca. 2 Minuten Verbrauchte Energiemenge laut Stromzähler: 0,05 kWh Auswertung: 1. Benötigte Energie zum Erwärmen des Wassser: 160 kJ (siehe Experiment 10) 2. Jetzt rechnen wir 0,05 kWh in Joule um 0,05 kWh = 50 Wh = 50 W * 3600 s = 180000 Ws = 180 kJ Verbrauchte Energie zum Erwärmen des Wassser: 180kJ kJ 3. Jetzt berechnen wir den Energieverlust: Vergeudetet Energie: 180 kJ -160 kJ = 20 kJ wurden unütz an die Umgebung abgegeben anstatt das Wasser zu erwärmen. Das sind in Prozent: Vergeudetete Energie dividiert durch Gesamte Energie * 100 = 20/180*100 = ca. 11% 11 % der Energie gingen beim Wasserkocher unnütz verloren! Man sollte daher Wasser nicht auf der Kochplatte, sondern stets im Wasserkocher erwärmen! Statt des prozentualen Verlustes eines Energieverbrauchers (wie den 11% bei unserem Wasserkocher), kann man auch den Wirkungsgrad in Prozent angeben. Das ist der Anteil, der nutzbringend verwendet wurde (also hat der Wasserkocher 100% 11% = 81 % Wirkungsgrad, die Kochplatte nur 100% - 72% = 28 %Wirkungsgrad). Wieso hat der Wasserkocher einen viel höheren Wirkungsgrad als die Kochplatte? - Die Heizspirale ist viel kleiner als die schwere Kochplatte, in der viel Wärmeenergie gespeichert ist. - Das Kunststoffgehäuse lässt weniger Wärme an die Umgebung hindurch, als der Metalltopf. - Das Kunststoffgehäuse speichert auch nicht soviel Wärme, da es leichter ist. - Das Erhitzen läuft viel schneller ab (2 Minuten statt 10 Minuten). Die Wärme hat daher beim Wasserkocher kaum Zeit, aus dem Gefäß zu entweichen. Fragen: 1. Kann ein Gerät einen Wirkungsgrad von 100 % oder mehr haben? 2. Verschwindet bei der Kochplatte Energie ? [Antworten: zu 1. Nein, denn dann würde Energie aus dem „Nichts“ erzeugt werden! zu 2. Nein, es geht zwar viel Energie ungenutzt in die Umgebung, aber die Energie ist nicht weg sondern einfach nicht da, wo man sie haben will!] Hier ein interessanter Test aus dem Kölner Stadtanzeiger: 1.8 Wärmetransport siehe im Buch auf den Seiten 29 bis 33! Es gibt drei Arten von Wärmtransport: Wärmeleitung: Die Wärme wandert langsam durch das Material, bis sie überall gleich verteilt ist. Verschiedene Stoffe leiten Wärme unterschiedlich gut. Faustregel: Was gut Strom leitet, leitet auch Wärme gut! Gute Wärmeleiter: Gold, Silber,Kupfer, Aluminium Schlechte Wärmeleiter: Gummi, Plastik, unbewegte Luft, unbewegtes Wasser Wärmemitführung: Die Wärme bleibt im Material, das selbst transportiert wird! Zum Beispiel wird Wasser im Heizungkessel erhitzt und mit einer Pumpe zu den Heizkörpern transportiert, wo es sein Wärme abgibt. Ein Sonderfall ist die selbstständige Wärmemitführung. Hier wird eine erwärmter Stoff durch die Erwärmung leichter, steigt auf und gibt seine Wärme dann wieder ab. Beispiel: An der Heizung wird die Lufterwärmt, dehnt sich aus und wird dadurch leichter als die kalte Luft. Si steigt daher nach oben, und streicht an der Decke und an der Wand entlang, wo sie sich wieder abkühlt. Schließlich strömt sie über den Boden wieder zum Heizkörper. Wärmestrahlung: Wärmestrahlen oder auch Infrarotstrahlen sind wie Licht elektromagnetische Wellen. Sie sind sozusagen „roter als rot“ und daher für uns nicht mehr sichtbar. Mit Wärmebildkameras kann man Wärmestrahlen jedoch sehen. Jeder warme Gegenstand sendet Wärmestrahlen aus. Die Schwingungen der Moleküle, die aufgrund der Wärmebewegung ausgeführt wird, macht diese zu kleinen „Radiosendern“ für Wärmestrahlung. Wärmestrahlung dringt auch durch den luftleeren Raum (Vakuum). Allerdings kann Wärmestrahlung von vielen Materialien, sogar zum Teil von Glas aufgehalten werden. Treibhauseffekt: Sonne scheint ins Treibhaus (Gewächshaus) und erwärmt dort Gegenstände, die Wärmestrahlen aussenden. Diese Wärmestrahlen können jedoch nicht mehr so gut hinaus - das Treibhaus wärmt sich auf. Klimakatastrophe: Einen ähnlichen Effekt verursachen sogenannte Treibhausgase auf der Erde, wie z.B. Kohlendioxid, die ebenfalls Wärmestrahlung von der Erde auf diese zurückwerfen. Steigt der Gehalt solcher Gase in der Athmosphäre stark an, kann dies zu Veränderungen des Weltklimas führen. Kapitel 2: Elektrizitätslehre 2.1 Elektrische Ladungen 1. Experiment Wie man jemanden die Haare zu Berge stehen lassen kann ... Die negativ geladenen Elektronen stoßen sich ab! Deswegen stellen sich die Haare auf. Bandgenerator Die Elektronen sammeln sich auf der Kugel Elektronen werden in die Kugel tranportiert. Elektronen geraten vom Kamm auf das Laufband. Schemel mit nicht leitenden Beinen. Boden Elektronen sind negative Ladungsträger. Es gibt auch positive Ladungsträger. Positive und negative Ladungsträger ziehen sich an, gleich geladene Ladungsträger stoßen sich ab. Bei Magneten gibt es einen ähnlichen Effekt: Aber hier sind es Nord- und Südpol. Ein Magnet hat keinen Pluspol!! (Das wird oft verwechselt, daher die Warnung). In der Natur gibt es gleich viele positive wie negative Ladungen. Man kann dieses Gleichgewicht durch Umverteilung stören - dann entsteht eine elektrische Spannung, die die Ladungsträger wieder ins Gleichgewicht zurücktreiben will. 2. Experiment Wie man mit Strom Ping-Pong spielt ... Ein Faden mit Ball. (Die Oberfläche des Balls ist leitfähig) Gelb: Überschüssige Elektronen. Rot: hier fehlen Elektronen (Vergleich: leere Positionen im Eierkarton) Isolierte Plattenhalter Schwarz: Leiter (Kabel) Aufgabe: Was passiert? Beschreibe die verschiedenen Phasen der Bewegung des Balls mit Worten und einigen Skizzen. 2.2 Elektrische Stromkreise Wenn Ladungen von einer „Ladungspumpe“ immer wieder durch dieselbe Strecke „gepumpt“ werden spricht man von einem Stromkreis. Die Ladungen „strömen im Kreis“. Die Ursache des elektrischen Stroms ist die elektrische Spannung. 2.2.1 Schaltsymbole zum Zeichnen elektrische Schaltkreise (Schaltsymbole→ Siehe Heft) Zunächst bauen wir eine Schaltung auf, um die elektrische Spannung zu messen, die das regelbare Netzgerät liefert und dann den Strom der daraufhin durch einen Stromverbraucher fließt. Hier ist der Schaltplan: + I + + + Stromverbraucher Netzgerät - U - - Das Messinstrument mit dem „U“ misst die elektrische Spannung in Volt. Es ist zum Netzgerät parallel geschaltet, d.h. es ist direkt mit den beiden Polen des Netzgerätes verbunden. Das Messinstrument mit dem „I“ misst den elektrischen Strom in Ampere. Es ist zum Netzgerät in Serie geschaltet, d.h. der Strom aus dem Netzgerät fließt durch den Strommesser hindurch und dann weiter im Stromkreis. Wir können nun verschiedene Verbraucher anschließen und messen, bei welcher Spannung welcher Strom verbraucht wird. Verbraucher Scheinwerferlampe Auto, hell leuchtend 11 cm Draht, Eisen (glüht) Elektromotor freilaufend Elektromotor gebremst Wasser, rein Wasser + 2g Salz Spannung [Volt] 12 V 8V 12 V 12 V 22 V 22 V Strom [Ampere] 5A 2A 0,2 A 3A 10 mA = 0,01 A 100 mA = 0,1 A (gemessen in der 6b) Bei allen Verbrauchern ist der Stromfluss je höher, umso größer die angelegte Spannung ist. Oft darf eine bestimmte Spannung und damit (auch ein bestimmter vom Verbraucher abhängiger Strom) nicht überschritten werden, damit der Verbraucher nicht zerstört wird. Andererseits sollte die Spannung so groß sein, dass z.B die Lampe leuchtet, der Motor läuft usw. Eine vernünftige, dem Verbraucher angepasste Spannung nennt man auch die Betriebsspannung des Verbrauchers. Den dabei fließenden Strom nennt man entsprechend Betriebsstrom. 2.3 Der elektrische Widerstand Jedes Material setzt dem Stromfluss einen Widerstand entgegen. Manche Materialien lassen sogar gar keinen Stromfluss zu: Sie nennt man Isolatoren. Gute Stromleiter (geringer Widerstand): Gold, Silber, Kupfer, Aluminium, Schlechtere Stromleiter (großer Widerstand): Eisen, Graphit, Kohle, Säuren und Laugen und Salzlösungen, Menschliche Haut Geringe Stromleitung: (sehr großer Widerstand) reines Wasser Isolatoren, praktisch keine Stromleitung: Benzin, Öl, Porzellan, Papier, Gummi, Glas, Der elektrische Widerstand R gibt die Spannung an, die man anlegen müsste damit ein Strom von 1 Ampere fließt. Man berechnet ihn so: R = U I Die Einheit des Widerstandes R ist Ohm (auch: ). 2.3.1 Wir bestimmen den Widerstand einiger verschieden langer Drähte Wir untersuchen zunächst gleich lange aber verschieden dicke Drähte: Verbraucher Konstantan 1 mm Durchm. Konstantan 0,7 mm Durchm. Konstantan 0,5 mm Durchm. Spannung 1,5 V 1,5 V 1,5 V Strom 1,5 A 1A 0,5 A Widerstand 1 Ohm 1,5 Ohm 3 Ohm Ergebnis: Je dünner der Draht, desto weniger Strom fließt bei gleicher Spannung, desto größer ist also der Widerstand. Wir untersuchen nun verschieden lange aber gleich dicke Drähte: Verbraucher Konstantan 2 m Konstantan 1 m Spannung 3V 3V Strom 0,4 A 0,8 A Widerstand 7,5 Ohm 3,75 Ohm Ergebnis: Je länger der Draht, desto weniger Strom fließt bei gleicher Spannung, desto größer ist also der Widerstand. Es gilt sogar: Ist der Draht doppelt so lang, ist der Widerstand doppelt so hoch, ist der Draht dreimal so lang, ist der Widerstand dreimal so hoch usw. Dieses Verhalten nennt man proportional: Der Widerstand ist proportional zur Länge des Drahtes. Frage: Wäre bei doppelten Durchmesser des Drahtes der Widerstand halb so groß, würde man das antiproportional nennen. Beurteile anhand der Tabelle, ob dies zutrifft und suche eine Erklärung. (Tipp: Wie ändert sich die Fläche eines Quadrates, wenn man seine Seitenlänge verdoppelt? Die sich daraus ergebende Erklärung passt nicht ganz zu den Zahlen, dies liegt aber an Ungenauigkeiten der Messung und der Drahtdicke). Erklärung: ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ______________________________________________ Übrigens: Mit den meisten Vielfachmessegeräten kann man den Widerstand auch direkt messen. Diese Messungen werden mit kleinen Spannungen durchgeführt, so dass man auch den Widerstand der Haut ohne Gefahr messen kann. Dies wird z.B. beim Lügendetektor benutzt. Wird der Befragte nervös (z.B. weil er lügt), wird die Haut durch das Schwitzen leitfähiger. Man kann mit Hilfe des Widerstandes auch Verunreinigungen von Wasser (z.B. durch Salz) oder die Feuchtigkeit von Holz oder Beton bestimmen. Die Einheiten kΩ, MΩ, GΩ (kiloohm, Megaohm, Gigaohm) bedeuten: k: Kilo mal 1 000, Mega: mal 1 000 000 Giga: mal 1 000 000 000 Aufgabe: 1 kΩ = ?, 100 MΩ = ? , 0,25 GΩ = ? MΩ 2.4. Die galvanische Zelle Eine galvanische Zelle besteht aus zwei Elektroden (lange Stäbe mit einem Anschluss oben), die in eine Säure getaucht werden. Bei den verwendeten Elektroden muss sich dabei um ein „edles Metall“ (z.B. Kupfer) und ein „unedles Metall“ (z.B. Zink) handeln, damit eine ausreichend hohe Spannung entstehen kann. Eine galvanische Zelle kann je nach verwendetem Material zwischen 1 bis 2 Volt liefern. Wenn man höhere Spannungen benötigt, schaltet man mehrere Zellen in Serie (dass heißt hintereinander). Dazu verbindet man jeweils den Pluspol einer Zelle mit dem Minuspol der nächsten Zelle. Drei 1,5 Volt Batterien erreichen so in Serie geschaltet 4,5 Volt. Man kann sich jede Batterie wie eine Elektronenpumpe vorstellen. Wenn drei Pumpen in die gleiche Richtung arbeiten, dann ergibt sich der dreifache Druck. Wenn eine der drei Batterien verkehrt herum eingelegt wird, hat man eine Spannung von ________? (Lösung: + 1,5V - 1,5V + 1,5V = 1,5V) 1,5 Volt Batterie - + - + - 4,5 V Spannungs-Messgerät + 2.5 Die elektrische Leistung, elektrische Energie Wir können nun drei Größen im Stromkreis bestimmen: - die elektrische Spannung: Sie gibt die Stärke des Ladungsungleichgewichtes an. Die Einheit ist Volt, Kurz V. Das Formelzeichen ist U. - den elektrischen Strom, der versucht das Ladungsgleichgewicht wieder herzustellen. Die Einheit ist Ampere, Kurz A. Das Formelzeichen ist I. - den elektrischen Widerstand, der den Stromfluss begrenzt. Die Einheit ist Ohm, kurz Ω (Das ist der griechische Buchstabe Omega). Das Formelzeichen ist I. In einem Stromkreis gibt es einen Energielieferant, z.B. eine Batterie. Sie stellt immer wieder eine Ladungsungleichgewicht zwischen ihren Polen her, bis sie „leer“ ist. Die Energie dazu gewinnt sie durch einen chemischen Prozess in ihrem Innern. Der elektrische Strom ist überall im Stromkreis gleich groß, da ja die Ladungen im Kreis fließen! Der vom Strom durchflossene Stromverbraucher wandelt die Energie der Batterie in Wärmeenergie (Konstantandraht) oder in Bewegungsenergie (Elektromotor) um. Wieso wird die Energie jedoch erst im Verbraucher und nicht schon in den Verbindungsdrähten frei? Schließlich fließt der Strom doch durch alle Bauteile! Dazu ein Experiment: U dünner Eisendraht U dicker Eisendraht Wo ist die Spannung höher? Am dünnen Draht oder am dicken Draht? Beobachtung: Am dünnen Draht! Erklärung: Von diesem Draht kann das Ladungsgleichgewicht nicht so gut ausgeglichen werden, da sein Widerstand höher ist. Nun erhöhen wir die Spannung, bis einer der beiden Drähte glüht! Beobachtung: Der dünne Draht beginnt zuerst zu glühen, der dickere Draht wird nur warm. Erklärung: In einem Draht wird bei gleichem Strom umso mehr Energie in Wärme umgewandelt, je höher die Spannung am Draht ist. Deswegen wird der dickere Draht kaum warm! Die elektrische Energie, die ein Verbraucher pro Sekunde in eine andere Energieform (z.B. Wärme) umwandelt (verbraucht) heißt elektrische Leistung. Sie hängt nur von Strom und Spannung am Verbraucher ab. Es gilt: P = U* I. (Die elektrische Leistung eines Verbrauchers ist gleich Betriebsspannung mal Betriebsstrom des Verbrauchers) Die Einheit ist Watt. Das Formelzeichen ist P. Übrigens haben wir die Leistung ja schon im Kapitel Wärme kennengelernt! Wo genau? Aufgaben: An das Stromnetz (220 V) soll ein Heizofen angeschlossen werden. Die Sicherung hat 10 A (16 A). Wie viel Watt darf der Heizofen maximal haben? (Lösung: 220V * 10 A = 2200 Watt) Durch eine 30 Meter lange Stromleitung aus Kupfer fließen 100 A. Das Kabel ist in einer Fachwerkwand aus Holz verlegt. Von den ursprünglichen 220V kommen noch 215 Volt am Verbraucher an. Wieviel Wärmeleistung produziert das Kabel? Vergleiche dies mit der Leistung einer kleinen Kochplatte (1000 W). (Dann liegen 5 Volt am Kable an: 5 V * 100 A = 500 Watt Wärmeleistung produziert das Kabel) 2.5 Einfache logische Schaltungen (Gruppenarbeit mit Elektrokästen, Arbeitsblättern ) 2.5.1 Die Autoinnenbeleuchtung Unser Auto hat nur zwei Türen. Öffnet man eine oder beide Türen, soll die Innenbeleuchtung angehen. An jeder Tür soll ein Schalter befestigt werden. Der Schalter befindet sich im Türrahmen. Wenn die Tür zu ist, drückt sie auf den Schalter. Es gibt Schalter, die unterbrechen den Kontakt bei Betätigung (Öffner) und solche die schließen den Kontakt bei Betätigung (Schließer). Hier die Schaltsysmbole: Öffner Schließer Es gibt also zwei Schalter (Öffner oder Schließer?), eine Innenlampe und natürlich eine Autobatterie. Welcher Schaltung erfüllt die Aufgabe? Lösung: Türschalter Autobatterie 12 Volt + Lampe - Hausaufgaben: 1. Wie sieht die Schaltung aus, wenn man 4 Türen hat? 2. Im Kofferraum soll auch eine Lampe sein, die jedoch nur angeht, wenn man den Kofferraum öffnet. Wie sieht der gesamte Schaltplan (mit der Lösung von 1) jetzt aus? Lösung zu Ha 2: Türschalter Autobatterie 12 Volt + Lampe innen - Lampe Kofferraum 2.5.2 Die Wechselschaltung Dieses Problem ist nicht leicht zu knacken: Sowohl mit Schalter 1 als auch mit Schalter 2 soll man das Licht ein- und ausschalten können! Dafür braucht ihr einen neuen Schaltertyp, den Umschalter: Lampe Schalter 2 Umschalter in Stellung A Flur Schalter 1 Umschalter in Stellung B Ihr habt zwei Umschalter, eine Lampe, eine Batterie und Kabel zur Verfügung. Überlegt euch erst einen Schaltplan. Dann baut ihr die Schaltung mit dem Kasten auf. Testet eure Schaltung in folgenden Situationen: - Das Licht ist aus, eine Person schaltet das Licht an Schalter 1 ein. Das Licht ist aus, eine Person schaltet das Licht an Schalter 2 ein. Das Licht ist an, eine Person schaltet das Licht an Schalter 1 aus. Das Licht ist an, eine Person schaltet das Licht an Schalter 2 aus. Erst wenn eure Schaltung diese vier Tests bestanden hat, habt ihr die Lösung. Übrigens: bei keiner der vier Möglichkeiten darf es einen Kurzschluss (direkte Verbindung von einem Batteriepol zum anderen Pol) geben. Bitte zeichnet den endgültigen Schaltplan in euer Heft und fügt eine Erklärung der Funktionsweise hinzu. Lösung: Umschalter 1 Umschalter 2 Lampe + - 2.6 Elektromagnetismus Ein einzelner Draht erzeugt ein Magnetfeld, wie ihr leicht selbst nachprüfen könnt! Kompass 1. Zunächst müsst ihr das Schaltbrett so lange drehen bis der Kompass parallel zum Draht steht (siehe Bild). Dann schließt den Schalter. Beobachtung: Der Zeiger schlägt aus! Wenn die Batterie ganz voll ist, steht er sogar Kompass fast senkrecht zum Draht. 2. Jetzt steckt die Batterie andersherum in das Schaltbrett! Beobachtung: Der Zeiger schlägt in die andere Richtung aus! Kompass 3. Dreht das Schaltbrett so dass der Kompass quer zum Draht steht. Dann schließt den Schalter. Was geschieht nun? (Es gibt zwei Möglichkeiten!) Beobachtung: Der Zeiger bewegt sich gar nicht oder der Zeiger bewegt sich einmal ganz herum (dafür muss die Batterie ganz voll sein). 4. Positioniert den Kompass unter dem Draht dem stromdurchflossenen Draht, statt darüber! Beobachtung: Der Zeiger zeigt nun in die entgegengesetzte Richtung wie zuvor! Verwirrend? Nun die Erklärung ist ganz einfach: Erklärung: Um jeden stromdurchflossenen Draht bilden sich Magnetfelder. Verfolgt man die Richtung des Nordpols eines 3D-Kompasses (die Nadel kann sich in alle Richtungen zeigen) sieht man, dass man Kreise um den Draht herum beschreibt. Eine solche Linie nennt man Magnetfeldlinie. Ein stromdurchflossener Draht erzeugt also kreisförmige Magnetfeldlinien um seine Achse. Kehrt man die Stromrichtung um, kehren die Magnetfeldlinien ebenfalls ihre Richtung um. Vom Draht zur Spule und zum Elektromagneten Wickelt man einen langen Draht zu einer Spule auf, verstärken sich die Magnetfelder der einzelnen Drähte. Der Kompass wird jetzt viel stärker beeinflusst, vor allem an den Öffnungen der Spule rechts und links. Hier zeigt er mit einem Pol auf die Öffnung (wenn man den Stromfluss umkehrt, dreht sich die Nadel um 180 Grad). Kompass Lampe Noch stärker wird das Feld, wenn man einen Kern aus Eisen hineinsteckt! Das nennt man einen Elektromagnet. Kompass Spule Versucht die Magnetfeldlinien zu zeichnen. Stellt dazu den Kompass auf einer Seite an verschiedenen Stellen und folgt dann der Nadel in Richtung Norden! Ihr erhaltet ein Bild der Magnetfeldlinien. Hier noch ein paar Bilder zum Thema von der Webseite: http://schulen.eduhi.at/riedgym/physik/11/elektromagnetis/feld_spule/feld_spule.htm Die Kraft des Elektromagneten (Experiment) Ein U-förmiger Eisenkern wird mit Draht umwickelt und dann an ein starkes Netzteil angeschlossen. Dann wird ein Eisenstück damit angezogen. Selbst mehrere Schüler (und Lehrer) sind nun nicht mehr in der Lage das Eisenstück zu lösen. Selbst nach dem Abschalten des Stromes ist das Lösen des Eisenstücks zunächst noch schwierig. Dies nennt man Restmagnetismus. 2.6.2 Morsen von Köln nach Euskirchen und zurück Siehe auch http://www.wdr.de/themen/kultur/stichtag/2007/07/01.jhtml Wie kann man nun zwei Stationen, z.B: Köln und Euskirchen mit zwei Drähten so verbinden, dass beide Signale empfangen und senden können? Station 1 Station 1 Verbindungsleitung + + - - Hier die Lösung: Probiert es aus! Fragen dazu: 1. Warum leuchten die Lampen nicht, wenn beide Schalter offen sind? 2. Was geschieht wenn eine der beiden Batterien leer ist? 3. Was geschieht wenn eine der beiden Batterien falsch herum angeschlossen wird? 4. Was geschieht, wenn der Widerstand der Leitungen zu hoch wird, wenn diese zu lang sind? Lösungen: A1 Die beiden Batterien sind entgegengesetzt geschaltet, also Plus an Plus und Minus an Minus: daher kann kein Strom fließen. A2: Ist eine der Batterien leerer, dann können die Lampen glimmen, da dann ein Stromfluss der stärkeren Batterie durch die schwächere Batterie einsetzt. A3: Dann leuchten beide Lampen A4: Dann leuchtet zwar die eigene Lampe hell beim Morsen auf, aber die Lampe der Gegenstation nur dunkel oder gar nicht. 2.6.1 Morsen von Köln nach Paris - Das Relais Morseverbindungen über sehr weite Strecken waren aufgrund des zunehmenden Widerstandes der Verbindungsleitung nicht möglich. Allerdings konnte man eine Nachricht über mehrere Stationen an ein weit entferntes Ziel schicken. Dazu musste man nur genug Zwischenstationen aufbauen, an denen jemand die Signale entgegen nahm und dann an einer zweiten Morsetaste in die richtige Richtung weiter sendete. Dies war natürlich sehr umständlich. Eine einfache Konstruktion aus einem Elektromagneten und einem davon betätigten Schalter ermöglichte die Automatisierung: das Relais. (Der Begriff Relais stammt aus dem Französischen und bedeutet zurücklassen. An Relaisstationen haben früher Reiter oder Postkutschen ihre müden Pferde zurückgelassen um mit frischen Pferden weiterzureiten. Noch heute sieht man an manchen alten Gebäuden in Frankreich die Aufschrift „Relais“). Da diese Stationen auch für die Verteilung der Post zuständig waren, wurden hier auch die Telegraphenstationen einzurichten, an denen Telegraphisten die Telegramme per Morsetaste überall hin versendeten. Der Preis der Telegramme wurden per Buchstabenanzahl berechnet. Noch heute meint man mit Telegrammstil eine besonders kurze Form der Mitteilung. Ein typisches Telegramm könnte lauten: macht keine sorgen - Stopp - komme morgen - Stopp - drei Uhr ) Der Aufbau eines Relais: 1 Federblech 2 3 A 1 Federblech 2 3 A Stromfluss B B Elektromagnet Elektromagnet So lange kein Strom durch den Elektromagneten fließt, sind die Kontakte 1 und 2 durch das magnetische Federblech verbunden. Schickt man einen ausreichend starken Strom durch den Elektromagneten, wird das Federblech heruntergezogen und verbindet nun den Kontakt 1 mit dem Kontakt 3. Wenn der Stromfluss aufhört, springt das Federblech wieder zurück. Oft ist wird der Schalterkontakt durch eine Art Umlenkhebel betrieben. Es gibt auch Relais mit nur zwei oder auch mit sehr vielen Kontakten. Das Schaltzeichen eines Relais erinnert etwas an den Aufbau: A 3 2 1 B Sendestation Telegraphenleitung Telegraphenleitung Schaltplan zur Überbrückung einer längeren Morseverbindung: Relaisstation (beliebig viele Stationen können aneinandergehängt werden) Empfangsstation Schließt man den Schalter, wird der Stromkreis über die erste Teilstrecke der Telegraphenleitung bis zur Relaisspule der nächsten Relaisstation geschlossen. Diese wird magnetisch und betätigt den nächsten Schalter. Dadurch wird der nächste Stromkreis zu einer weiteren Station geschlossen. An der letzten Station kommt daher ein starkes Signal an, egal wie viele Zwischenstationen es gab und wie lang die Gesamtstrecke ist. Das Relais war das erste elektrische Bauteil, dass in der Lage war mit relativ schwachen Strömen im Steuerkreis (linke Seite) sehr starke Ströme im Arbeitskreis (rechte Seite) zu schalten. Solche Bauteile nennt man aktive Bauteile, im Gegensatz zu Schaltern, Lampen oder Drähten die man auch passive Bauteile nennt. Das Relais arbeitet sozusagen als eine Art Verstärker. Nachrichten 02.09.2000 Deutsche Telekom stellt AuslandsTelegramme ein Wegen stark gesunkener Nachfrage wird die Deutsche Telekom ihren Telegrammdienst ins Ausland zum Jahresende einstellen. Dies gab das Unternehmen am Freitag bekannt. Vor zehn Jahren fanden noch fast 1,7 Millionen Telegramme den Weg ins Ausland, für das laufende Jahr erwartet die Telekom nur noch 70.000. Im Vergleich zur Vorjahreszahl von 263.000 Eilnachrichten bedeutet dies einen Rückgang um 73,4 Prozent. Als Grund nannte das Unternehmen die zunehmende Konkurrenz anderer Kommunikationswege wie Fax, elektronische Post (E-Mail) oder SMS-Kurznachrichten, die über Mobiltelefone versendet werden. Telegramme im Inland sind nicht betroffen, sie werden seit dem 1. Juli 1998 über die Deutsche Post AG übermittelt. Zum Nachfragerückgang bei Auslandstelegrammen verwies die Telekom auf die technische Entwicklung: Während derzeit ein Telegramm mit höchstens 20 Worten etwa ins Nachbarland Österreich rund 40 Mark koste, liege der Preis für ein Fax bei 24 und für eine SMS über das Telekom-Netz bei 39 Pf. Zu der Entwicklung der Post, Telegramme und Telefon siehe z.B. http://www.stadtgeschichte-guetersloh.de/technik/kommunikation/ 2.6.3 Das Relais als aktives Bauteil Das Relais als „Schütz“ Manchmal gibt es Verbraucher, bei denen es zu nicht möglich ist diese direkt mit einem Schalter ein- oder auszuschalten. Stattdessen kann man Schalter in der ein Relais verwenden, das besonders Sakristei große Spannungen und Ströme Beleuchtung schalten kann, selbst aber mit einem des kleinen Steuerstrom auskommt. Kölner Doms Im Computerraum lassen sich z.B. alle Rechner mit einem Schalter Schützrelais-Schaltung einschalten. Da ein solcher Schalter den Strom für 30 Rechner nicht aushält, wird vom Schalter ein Relais im Stromkasten angesteuert. Elektriker nennen solche Relais oft „Schütz“. Es schützt sozusagen den Steuerkreis vor den großen Belastungen durch einen Verbraucher. (siehe auch http://de.wikipedia.org/wiki/Schütz_(Schalter)). Ein weiterer Vorteil ist, das das Kabel zum Schalter nicht so dick sein muss. Die Selbsthalteschaltung Wenn man die Schaltung von oben etwas abändert passiert etwas Merkwürdiges: Selbsthalte-Schaltung Das Einschalten funktioniert wie oben, aber die Lampe bleibt selbst bei geöffneten Schalter in Betrieb! Das Relais merkt sich offenbar, dass es eingeschaltet wurde. Erst wenn man die Stromzufuhr unterbricht, geht die Lampe aus. Mit dieser Schaltung kann man eine Alarmanlage bauen: Betritt der Einbrecher kurz einen versteckten Schalter (z.B. unter einer Türschwelle), wird der Alarm aktiviert und geht nicht mehr aus. Aufgabe: Erkläre, wie die Selbsthalteschaltung funktioniert und finde weitere Anwendungen! Die Inverterschaltung Die Lampe an der Relaisspule leuchtet, wenn die zweite Lampe aus ist und umgekehrt. Das heißt die Lampen können nie gleichzeitig leuchten. Dies kann man für viele Anzeigeschaltungen gebrauchen, z.B: für Signale im Bahnverkehr. Oder es soll eine Warnlampe leuchten, wenn an einem wichtigen Gerät (z.B. im Krankenhaus) keine Spannung anliegt. Inverterschaltung Die Selbstunterbrecherschaltung - Ein Relais „spinnt“ Aktiv sein heißt ja, dass man von selbst etwas tut. Das kann das Relais ! Selbstunterbrechungsschaltung Was geschieht, wenn man den Schalter betätigt? 1. Die Relaisspule bekommt Strom, die Lampe leuchtet. 2. Der Schalter wird betätigt, der Stromkreis wird unterbrochen und die Lampe erlischt. 3. Da die Relaisspule keinen Strom bekommt, wird der Schalter wieder geschlossen. 4. siehe 1! Je nach Relais kann der Kreislauf sehr schnell durchlaufen werden, so dass die Lampe sehr schnell flackert. Man hört auch ein deutliches Brummen oder Schnarren durch die schnell bewegte Kontaktfeder. Lösungshilfeblatt zu den Aufgaben: Mit dem folgenden Blatt könnt ihr das Übertragen des Schaltplan in eine echte Verkabelung üben! Verbindet einfach die Anschlüsse mit buntem Filzstift und orientiert euch am Schaltplan. Beginnt mit einem roten Kabel bei Plus (roter Filzstift). Kabel, die nach direkt mit dem Minuspol verbunden sind, sollten schwarz sein. Für andere Kabel könnt ihr die Farbe gelb benutzen. Merke: Ein schwarzes Kabel darf nie direkt (oder über einen Schalter) mit einem schwarzen Kabel verbunden sein, sonst gibt es einen Kurzschluss! Ihr könnt mit Hilfe dieses Blattes auch eure gesteckte Schaltung nochmals überprüfen. P.S. Ihr dürft Kabel kreuzen lassen, das ist keine Verbindung. Wenn ihr darstellen wollt, dass zwei Kabel verbunden sind, dann zeichnet einen kleinen Kreis als Verbindungspol. Glühlampe 1 - + Batterie 4,5 V Glühlampe 2 Schalter - + Batterie 4,5 V Relais Lösung zur Schaltung:________________________ Glühlampe 1 - + Batterie 4,5 V Schalter - Glühlampe 2 + Relais Batterie 4,5 V Lösung zur Schaltung:________________________ Glühlampe 1 - + Batterie 4,5 V Schalter - Glühlampe 2 + Batterie 4,5 V Relais Übungen Nachdem nun alle die Schaltungen gesteckt haben, nun noch ein paar Übungen: Aufgabe 1: Zeichne zu der Aufbauskizze möglichst ordentlich den zugehörigen Schaltplan. Erkläre: Wann leuchtet welche Lampe? Glühlampe 1 - Schalter + - Batterie 4,5 V Glühlampe 2 + Batterie 4,5 V Relais Aufgabe 2: Mit zwei Relais kann man natürlich noch mehr anstellen …. Zeichne auch zu dieser Aufbauskizze einen ordentlichen Schaltplan. Erkläre: Was geschieht wenn man Schalter 1 nur kurz schließt und wieder öffnet? Was geschieht wenn man Schalter 2 nur kurz schließt und öffnet? Was geschieht wenn man beide Schalter schließt? Glühlampe 1 Schalter 1 Glühlampe 2 Schalter 2 - + Batterie 4,5 V - + Batterie 4,5 V Relais Relais Aufgabe 3: Ergänze Schaltplan und Skizze der Aufgabe 2 so, dass Lampe 1 leuchtet, wenn Lampe 2 ausgeschaltet ist. Aufgabe 4: Ändere den Schaltplan und Skizze der Aufgabe 2 so, dass die Lampe 2 in jedem Fall ausgeschaltet ist, wenn Schalter 2 geschlossen ist - selbst wenn man Schalter 1 schließt! Aufgabe 5: Ein Gebäude soll mit Schaltern an der Tür und an den Fenstern gegen Einbruch gesichert werden. Die 4 Fensterschalter werden beim Öffnen der Fenster geöffnet, die 2 Türschalter ebenso. Die Alarmanlage wird mit einem Schlüsselschalter an der Tür eingeschaltet. Im Fall des Eindringens soll eine Alarmsirene aufheulen. a) Zeichne einen Schaltplan (Für die Alarmsirene zeichnest du eine Box mit zwei Anschlüssen und der Beschriftung Alarm). b) Denke dir eine sinnvolle Erweiterung der Anlage aus! Aufgabe 6: Das ist die Beleuchtungsanlage von Schloss Frankenstein: Was geschieht, wenn man die verschiedenen Schalter öffnet oder schließt? Fülle die Logik-Tabelle aus, gib auch an ob die Lampe hell, mittel oder eher dunkel leuchtet. Lampe 2: Eingangshalle Umschalter 1 Lampe 3: Gästezimmer Schalter 2 Schalter 3 + - Lampe 1: Bibilothek Lampe 4: Folterkeller Umschalter 1 oben oben oben oben unten unten unten unten Schalter 2 Schalter 3 Bibliothek aus aus ein aus aus ein ein ein aus aus ein aus aus ein ein ein Halle Gästezimmer Folterkeller Aufgabe 7: Der Notfallsender deiner Polar-Expedition „Rettet die Eisbären“ braucht 12 Volt, aber es gibt nur eine 15 Volt Spannungsversorgung - die würde den Sender zerstören. Du hast auch nur zwei 1,5 V Taschenlampenbatterien dabei. Gibt es trotzdem eine Lösung? Lösungen zu den Aufgaben: Hier die Lösung zu Aufgabe 6: Umschalter 1 oben oben oben oben unten unten unten unten Schalter 2 Schalter 3 aus aus ein aus aus ein ein ein aus aus ein aus aus ein ein ein Bibliothek aus mittel aus dunkel hell hell hell hell Halle Gästezimmer dunkel dunkel mittel ganzdunkel mittel mittel hell mittel aus aus mittel aus aus aus aus hell Folterkeller dunkel ganz dunkel aus aus aus mittel aus aus Lösung zu Aufgabe 7 Man muss die zwei Taschenlampenbatterien entgegen der 15 Volt Stromquelle in Serie schalten, dann ergibt sich: 15 V - 1,5V - 1,5 V = 12 V. Einige Übungsaufgaben zum Test: Zeichne den Schaltkreis und erkläre genau was geschieht, wenn der Schalter/die Schalter geschlossen werden. a) - + Batterie 4,5 V Relais - + Batterie 4,5 V b) - Relais + Batterie 4,5 V - + Batterie 4,5 V c) S1 L1 - + L2 Batterie 4,5 V - + Batterie 4,5 V S2 d) S1 L1 - + L2 Batterie 4,5 V - + Batterie 4,5 V S2 e) S1 L1 - + Batterie 4,5 V S2
