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RAAbits Hauptschule 7–9 · Naturwissenschaften 81
Strom und Spannung
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Dem elektrischen Strom auf der Spur –
was steckt hinter Spannung und Stromstärke?
Jost Baum, Wuppertal
Physik
Den Bau eines einfachen Stromkreises und seine Schaltzeichen kennen, die
Wirkungsweise des Stroms durch den Vergleich mit dem Wasserkreislauf
verstehen, Stromquellen kennen, über Spannung und Stromstärke Bescheid
wissen, den Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstärke kennen
Wissenswertes zur Spannung und Stromstärke
U
A
Die Analogie zwischen Stromkreislauf und Wasser
Den elektrischen Strom kann man mit einem Wasserkreislauf vergleichen. Auf diese Weise lassen
sich die physikalischen Größen „Spannung“ und „Stromstärke“ und ihre Bedeutung anschaulich beschreiben. Die Wasserpumpe erzeugt in den Leitungen des Wasserkreislaufes einen Druck, der die
Wassermoleküle antreibt. Bei geöffnetem Absperrhahn strömt Wasser durch die Leitung. Es treibt
nun beispielsweise ein Wasserrad an und verrichtet somit Arbeit. Dabei ist die Pumpe die eigentliche Energiequelle, die über das strömende Wasser am Wasserrad Arbeit verrichtet. Das Wasser
überträgt lediglich die Energie.
Beim elektrischen Stromkreis existiert ebenfalls eine Energiequelle (z. B. Batterie, Steckdose, Trafo, Fahrraddynamo). Ähnlich wie die Wasserpumpe pumpt diese Stromquelle bei geschlossenem
Stromkreis Elektronen durch die Leitung. Die ließenden Elektronen entsprechen den Wassermolekülen. Auch beim Stromkreis wird Energie zu einem elektrischen Gerät übertragen. Dabei wird
elektrische Energie ebenso wenig „verbraucht“ wie das Wasser im Wasserstromkreis. Es indet nur
eine Energieübertragung statt.
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C
S
R
O
V
Ladungsluss pro Zeit – die Stromstärke
Die elektrische Stromstärke ist von der elektrischen Ladungsmenge Q abhängig, die in einer
bestimmten Zeit t ließt. Die Ladungsmenge Q wird in Coulomb (C) gemessen.
Für die elektrische Stromstärke I gilt:
Die elektrische Stromstärke (I) berechnet man also, indem man die elektrische Ladungsmenge Q
misst, die in einer bestimmten Zeit t ließt. Ihre Einheit ist nach dem französischen Physiker AndréMarie Ampère (1775–1836) benannt. Das Gerät zur Messung der Stromstärke heißt Amperemeter.
So wie in der Leitung beim Wasserkreislauf ist auch die Elektrizitätsmenge an jedem Ort der Leitung
gleich groß. Daher kann das Amperemeter an jeder beliebigen Stelle in den Stromkreis eingebaut
werden.
Was passiert beim Elektronenüberschuss?
Im elektrischen Stromkreis „pumpt“ die Stromquelle Elektronen (negativ geladene Teilchen) vom Pluspol zum Minuspol. Am Minuspol herrscht daher ein Elektronenüberschuss, weshalb die Elektronen
über den elektrischen Leiter wieder zum Pluspol ließen. Der Elektronenüberschuss lässt sich mit dem
Druck vergleichen, den die Pumpe in einer Wasserleitung erzeugt. Fließt Strom, so transportiert die
„Pumpe“ (Stromquelle) Energie zum elektrischen Gerät. Dabei ist die übertragene Energiemenge
vom Druck der Ladungsmenge abhängig. Diesen Druck, den die Stromquelle erzeugt, nennt man
Spannung.
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Strom und Spannung
Erhöht man den Druck einer Wasserpumpe im Wasserkreislauf mit einem Wasserrad, so dreht
es sich schneller. Ebenso verhält es sich im Stromkreis mit einer Glühlampe: Erhöht man dort die
Spannung (Druck auf die Elektronen), leuchtet die Lampe heller. Es wird Energie frei bzw. Arbeit
verrichtet. Die Einheit der Energie ist Joule (J). Die Spannung wird nach dem italienischen Physiker
Alessandro Volta (1745–1827) in Volt (V) gemessen. Für die Spannung U gilt:
Die Spannung wird mit dem Voltmeter gemessen. Dabei muss das Messgerät parallel zur Spannungsquelle geschaltet werden.
Didaktisch-methodische Hinweise
Strom und Spannung sieht man nicht. Diese Größen sind damit für Ihre Lernenden sehr abstrakt.
Durch eine Analogie zum Wasserkreislauf können Sie jedoch verdeutlichen, was Spannung und
Strom ist und welcher Zusammenhang zwischen diesen Größen besteht. In den Materialien wird
daher bewusst immer wieder ein solcher Vergleich gezogen. Nutzen Sie darüber hinaus jede Gelegenheit, um Ihren Lernenden Spannung und Stromstärke durch die Analogie zum Wasserkreislauf
näherzubringen.
U
A
Versuche sind ein fester Bestandteil der Materialien. Dabei ergründet Ihre Klasse in Gruppen von
3–5 Lernenden den elektrischen Strom. Auf diese Weise erfahren sie die Lerninhalte praktisch, wodurch diese besser im Gedächtnis bleiben. Die Wirkungsweise des Stroms auf elektrische Geräte
lässt sich demonstrieren und so diese abstrakte Größe visualisieren. In den Versuchen ist eine Glühlampe der elektrische Verbraucher. Sprechen Sie darüber hinaus weitere elektrische Verbraucher
an oder führen diese vor.
H
C
S
R
Führen Sie ergänzend zu M 4 Versuche zur Messung von Spannung und Stromstärke durch (Lehrerdemonstrationsversuch oder Schülerversuch).
Zu den Materialien im Einzelnen
O
V
Im Material M 1 bauen Ihre Lernenden eine elektrische Schaltung mit Batterie, Glühlampe und
Schalter. In diesem Versuch und anhand einer Zuordnungsaufgabe ergründen sie den einfachen
elektrischen Stromkreis und seine Schaltzeichen.
Mithilfe eines Textes (Vergleich zwischen Wasserkreislauf und Stromkreislauf) sowie einer Schaltskizze veranschaulicht M 2 den Jugendlichen die Wirkung des elektrischen Stroms.
An den Begriff „Spannung“ führen in M 3 ein Versuch und ein Lückentext heran. Den Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstärke ergründen Ihre Lernenden in M 4 mit einer Ankreuzaufgabe, einer Zuordnungsaufgabe sowie einer Schaltskizze.
Materialübersicht
M
M
M
M
1
2
3
4
Was passiert im geschlossenen Stromkreis?
Gibt es Gemeinsamkeiten zwischen Wasserkreislauf und Stromkreislauf?
Was ist eigentlich die elektrische Spannung?
Unsichtbares sichtbar machen – wir messen Spannung und Stromstärke
Für diese Einheit benötigen Sie:
M1
M3
Schülerversuch (pro Gruppe): 1 Flachbatterie (4,5 Volt), 1 Glühlampe (4,8 Volt) mit Fassung,
1 Schalter, 3 Kabel
Schülerversuch (pro Gruppe): 1 Trafo, 1 Glühlampe (4,8 Volt) mit Fassung, 1 Schalter,
3 Kabel
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M1
Strom und Spannung
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Was passiert im geschlossenen Stromkreis?
Versuch
a) Baut die Schaltung in der Abbildung auf.
b) Schließt den Schalter und beschreibt eure
Beobachtung:
Einfacher Stromkreis mit Glühlampe
c) Vervollständigt die Sätze mit folgenden Begriffen: Strom, Schalters, bewegt, Aufleuchten
U
A
Durch Schließen des
wird der Stromkreis geschlossen. Jetzt ließt
ein elektrischer
. Dabei werden Elektronen
. Das
der Glühlampe zeigt, dass ein elektrischer Strom ließt.
H
C
Die Schaltskizze: Eine Schaltskizze beschreibt vereinfacht den Aufbau einer elektrischen Schaltung. In ihr stehen Schaltzeichen für die einzelnen Bestandteile.
Beispiele für Schaltzeichen:
S
R
Bestandteil der
elektrischen Schaltung
Schaltzeichen
Batterie
Leitung
Glühlampe
Schalter
O
V
Aufgabe
a) Nenne Beispiele für die Verwendung von Batterie und Glühlampe im Alltag.
Batterie:
Glühlampe:
b) Benenne die durch Schaltzeichen dargestellten Bestandteile des Stromkreislaufes.
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M2
Strom und Spannung
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Gibt es Gemeinsamkeiten zwischen
Wasserkreislauf und Stromkreislauf?
Aufgabe 1
a) Lies dir den Text durch. Unterstreiche wichtige Informationen.
5
Den elektrischen Strom sieht man nicht. Seine Wirkung lässt sich jedoch durch
einen Vergleich mit einem Wasserkreislauf veranschaulichen. So wie im Wasserkreislauf die Wasserteilchen werden im Stromkreislauf Elektronen bewegt. Im
Wasserkreislauf erzeugt eine Pumpe Druck, der das Wasser in Bewegung setzt.
Im Stromkreislauf setzt die Batterie die Elektronen in Bewegung. Die Wasserleitungen sind im Stromkreislauf die Kabelverbindungen. Beindet sich ein Wasserrad
im Wasserkreislauf, so wird es durch das Wasser angetrieben. Das Wasserrad
entspricht dabei der Glühlampe, welche die Elektronen zum Leuchten bringt.
U
A
b) Schreibe in den Kästen die Begriffe aus dem Wasserkreislauf unter die Bezeichnungen für die Bestandteile im Stromkreis. Verwende folgende Begriffe: Wasserrad, Wasserpumpe, Wasserleitung, Absperrhahn
Tipp
H
C
Lies dir vorher den Text nochmals genau durch.
S
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Stromkreislauf: Glühbirne
Wasserkreislauf:
O
V
Stromkreislauf:
elektrische Leitung
Wasserkreislauf:
Stromkreislauf: Batterie
Wasserkreislauf:
Stromkreislauf: Schalter
Wasserkreislauf:
Aufgabe 2
Was geschieht im Stromkreis mit der Glühlampe nach Schließen des Schalters?
Kreuze an.
Aussage
wahr
falsch
Elektronen bewegen sich.
Es geschieht überhaupt nichts.
Die Glühlampe leuchtet.
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M3
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Strom und Spannung
Was ist eigentlich die elektrische Spannung?
Aufgabe 1: Benenne die Stromquellen. Verwende folgende Begriffe: Steckdose,
Solarzelle, Mignonzelle, Fahrraddynamo
1
2
3
1.
2.
3.
4
Fotos: colourbox.de
Elektrische Geräte funktionieren nur, wenn sie an eine Stromquelle angeschlossen
werden und ein Strom ließt.
U
A
4.
Aufgabe 2: Setze die Begriffe aus dem Kasten in den Lückentext ein.
H
C
Druck – Stromquelle – schneller – Erhöht – größer – Wasserkreislauf
Im
bewegt sich das Wasser durch den Druck der Pumpe.
S
R
man ihn, so ließt das Wasser schneller und auch das Wasserrad
dreht sich schneller. Im Stromkreis erzeugt die
ebenfalls
einen „Druck“ auf die Elektronen. Der „Druck“ heißt dort Spannung. Auch dort gilt:
Je
O
V
die Spannung ist, desto
bewegen sich die Elektronen.
Die Spannung wird in der Einheit Volt gemessen.
Versuch
a) Baut gemeinsam den Stromkreis in der Abbildung auf.
b) Erhöht langsam die Spannung von 0 Volt auf 5 Volt.
c) Beschreibt eure Beobachtung:
Die Lampe leuchtet umso
, je
die Spannung (Voltzahl) ist.
Mit wachsender Spannung ließen also
Elektronen durch die elektrischen
Leitungen.
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