Lernzirkel: Grundlagen des elektrischen Stromkreises
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(E) Energietransport
Material
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- Aufbau
- Schalte die Pumpe des Wasserstromkreises an. Öffne und schließe den Hahn.
- Drehe an der Kurbel des Generators. Öffne und schließe den Schalter.
- Ergänze die Tabelle und übertrage sie ins Heft.
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Wasserstromkreis |
elektrischer Stromkreis |
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Die elektrische Ladung fließt im Kreis durch die Kabel. | |
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Die Pumpe treibt das Wasser an. |
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Das Wasser treibt das Rädchen an. |
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Die Energie kommt von der Pumpe und wird vom Wasser zum Rädchen transportiert. |
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Der Schalter unterbricht und schließt den elektrischen Stromkreis. | |
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Nur bei geschlossenem Stromkreis leuchtet die Lampe. |
(A1) Antrieb: chemisch
- Material
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- Aufbau
Eine Kartoffelbatterie
Sechs Kartoffelbatterien hintereinandergeschaltet
- Schneide aus den Kartoffeln 6 Stücke die ca. 3cm x 3cm x 3cm groß sind.
- Mache in die Kartoffelstücke ohne sie durchzuschneiden je zwei parallele Schlitze und stecke jeweils eine verzinkte Unterlegscheibe und eine 5-Cent-Münze hinein.
Jetzt sind die Batterien fertig! Die Kupferhaltige Münze ist der +Pol und die verzinkte Scheibe der -Pol.
- Miß mit dem Voltmeter die Spannung an einer Batterie, indem du die Messkabel an die Pole hälst. (Die Spannung gibt die "Antriebsstärke" der Batterie an.)
- Schalte alle 6 Batterien hintereinander in Reihe zu einer Batterie. Dazu verbindest du den +Pol der ersten Batterie mit dem -Pol der zweiten, den +Pol der zweiten mit dem -Pol der dritten und so fort.
- Miss die Spannung zwischen dem -Pol der ersten und dem +Pol der letzten Batterie!
- Verbinde nun die Leuchtdiode mit der Kartoffelbatterie. Durch die Leuchtdiode kann der Strom nur in eine Richtung fließen. Wenn sie nicht leuchtet, dann vertausche die Anschlüsse!
- Erklärung
- Offensichtlich treibt die Kartoffelbatterie den elektrischen Stromkreis an. Aber wie?
- Das liegt an den unterschiedlichen Metallen Kupfer und Zink. Sie haben eine unterschiedliche "Vorliebe" für Elektronen. Zink "gibt gern Elektronen ab", Kupfer dagegen "nicht so gern". Jedes Zink-Atom gibt ein Elektron ab. Das nennt man auch Oxidation. Dadurch lädt sich die Unterlegscheibe negativ auf! Dann löst sich das Zink-Ion (Zn+) in der feuchten Kartoffel. Die Zink-Elektrode löst sich also im Laufe der Zeit vollständig auf.
Anders beim Kupfer in der Münze, es ist ein "edleres" Metall und löst sich daher nicht so gut in der Kartoffel auf. Es gibt nur wenige Elektronen ab und ist daher im Vergleich zum Zink "positiver".
(A2) Antrieb: elektromagnetisch
- Material
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- Aufbau
- Stecke den Eisenkern in die Spule. Bilde mit der Spule und der Leuchtdiode einen Stromkreis.
- Halte den Nordpol des Magneten an den Eisenkern und ziehe ihn wieder weg. (Um das Leuchten der Diode zu sehen, sollte es nicht zu hell im Raum sein.)
- Probiere auch die andere Seite des Eisenkerns aus. Ebenso den Südpol des Magneten.
- Befestige mit den Klemmen den Generator und die Kurbel.
- Drehe die Kurbel des Generators
- Erklärung
- Der Magnet ändert die Magnetisierung des Eisenkerns. Ändert sich die Magnetisierung in einer Spule, so wird in der Spule ein Strom angetrieben. Den Effekt nennt man "Induktion". Ohne Veränderung kein Strom!
- Beim Generator bewegt sich der Magnet auf den Eisenkern der Spule zu und wieder von ihm weg. Dadurch ändert sich die Magnetisierung und es wird ein Strom in der Spule induziert.
(W1) Wirkung: Wärme
- Material
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- Aufbau
Versuchsaufbau
Das Innenleben eines Föns
Eine alte Kochplatte
Die Heizdrähte der Kochplatte
- Lasse durch einen dünnen Eisendraht Strom fließen!
- Schneide dazu einen ca. 20cm langes Stück Eisendraht ab und befestige es an dem Halter. Den Halter wird im Steckbrett befestigt. Nun kannst du mit zwei Kabeln das Netzgerät anschließen. (Alle schwarz markirten Striche auf dem Steckbrett entsprechen einem im Inneren verborgenen Kabel.)
- Drehe die Spannung am Netzgerät vorsichtig hoch und beobachte.
- Schließe statt dem Eisendraht eine kleine Glühbirne an!
Schau dir an, wie ein Fön und wie eine Heizplatte Wärme produziert.
- Erklärung
- Die Elektronen fließen im Draht vom -Pol zum +Pol. Dabei stoßen sie an die Atome des Eisendrahtes. Deshalb fangen die Atome des Eisendrahtes an zu "wackeln". Dieses Wackeln bedeutet, dass der Draht immer heißer wird. Sogar so heiß, dass er anfängt Licht auszusenden.
- Mache dazu auch eine Zeichnung ins Heft.
- Schreibe auf und mache eine Zeichnung, wie eine Heizplatte funktioniert.
(W2a) Wirkung: Magnetfeld (Spule)
- Material
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- Aufbau
- Verbinde mit einem langen Kabel den Pluspol und den Minuspol des Hochstromnetzgerätes. Drehe dann die Regler für die Spannung (U) und Stromstärke (I) maximal auf. Die rechte Anzeige zeigt jetzt "20A" an.
- Untersuche mit dem Minikompass die Umgebung des Kabels.
- Vertausche auch die Anschlüsse am Netzgerät.
- Stelle den Minikompass in die Spule.
- Schließe mit 2 Kabeln die Spule an das Netzgerät an.
- Vertausche auch die Anschlüsse am Netzgerät.
- Streue Eisenfeilspäne um die Spule herum, um das Magnetfeld zu untersuchen.
- Beobachtung
- Folgerung
- Um einen elektrischen Strom befindet sich ein magnetisches Wirbelfeld.
- Bei einem Wirbelfeld verlaufen die Feldlinien "im Kreis" und haben kein Anfang und kein Ende, so wie das bei Dauermagneten der Fall ist.
- Die Richtung der Feldlinien erhält man mit der "Rechten-Hand-Regel": Daumen in technischer Stromrichtung von + zu -. Dann zeigen die Finger die Feldlinienrichtung an.
Der Punkt zeigt die Stromrichtung an: Aus der Zeichenebene hinaus.
- Das Feld einer Spule mit vielen Windungen ist fast ausschließlich in der Spule und homogen.
Innerhalb der Spule sind die Feldlinien ziemlich parallel.
Das Helligkeitsbild der Feldstärke zeigt an welchen Stellen sich "viel Feld" befindet.
(W2b) Wirkung: Magnetfeld (Elektromagnet/Elektromotor)
- Material
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- Aufbau
- Wickle ein Kabel so oft wie möglich um einen kurzen Bleistift und schließe das Kabel an das Netzgerät an.
- Drehe die Spannung am Netzgerät auf. Kannst du mit dem gewickelten Kabel eine Büroklammer hochheben?
- Wickle das Kabel nun um das Eisenstück und wiederhole den Versuch.
- Schließe die Spule ohne den Eisenkern an das Netzgerät an und drehe die Spannung hoch.
- Wie reagieren die Buroklammern auf die stromdurchflossene Spule?
- Stecke nun den Eisenkern in die Spule und versuche damit Büroklammern aufzuheben. Was passiert, wenn du das Netzgerät ausschaltest?
- Baue nun den Schalter in den Stromkreis der Spule ein. Jetzt kannst du den Elektromagneten an- und ausschalten.
- Stelle den drehbaren Magneten in die Nähe des Elektromagneten. Was passiert, wenn du den Elektromagnet anschaltest?
- Versuche den Elektromagnet so an- und auszuschalten, dass der Magnet sich dreht! An welchen Positionen des Magneten musst du anschalten, am welchen ausschalten?
- Folgerung
- Innerhalb der stromdurchflossenen Spule bildet sich ein Magnetfeld. (Vergleiche Versuch (W2a)) Die Büroklammern werden vom Magnetfeld zu den stärksten Stellen des Feldes gezogen. In diesem Fall in das Innere der Spule.
- Das Magnetfeld der Spule kann auch den Eisenkern magnetisieren. Er bekommt dadurch einen Nord- und einen Südpol. Schaltet man den Strom aus, so ist der Eisenkern nicht mehr oder nur noch sehr wenig magnetisiert. Man hat einen Elektromagneten gebaut, den man an- und ausschalten kann!
- Das Magnetfeld des magnetisierten Eisenkerns ist viel stärker als das Magnetfeld der Spule! Mit dem Eisenkern kann man nämlich sehr viele Büroklammern hochheben.
- Mit dem drehbaren Magneten und dem Elektromagneten hat man einen Elektromotor gebaut! Hat der angeschaltete Elektromagnet hat z.B. auf der Seite des drehbaren Magneten einen Südpol, so dreht sich der Nordpol des Magneten zum Elektromagneten hin. Jetzt muss man den Elektromagneten ausschalten, dann dreht sich der Nordpol des Magneten weiter, bis er wieder weit vom Elektromagneten entfernt ist. Nun kann man den Elektromagneten wieder anschalten. Man schaltet den Elektromagneten also nur eine halbe lang Umdrehung an!
- Elektromotoren sind in sehr vielen Geräten verbaut: Straßenbahn, ICE, Küchenmixer, Bohrmaschine, Ventilator im PC, Elektrofahrräder, elektischen Zahnbürsten,... In diesen Motoren wird nicht An- und Ausgeschaltet, sondern die Stromrichtung im Elektromagneten regelmäßig gewechselt.
(W3 / L2) Wirkung: chemisch / Leitfähigkeit: Flüssigkeiten
- Material
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- Aufbau
- Kann Wasser den elektrischen Strom leiten? Was passiert dann im Wasser?
- Verbinde zwei Kabel zu einem langen Kabel und schließe mit dem langen und dem verbliebenen kurzen Kabel das Lämpchen an das Netzgerät an. Drehe das Netzgerät auf, bis das Lämpchen leuchtet.
- Was passiert, wenn du die zu einem Kabel verbunden Kabel auseinanderziehst?
- Der unterbrochene Stromkreis wird nun mit Hilfe des Wassers weider "geflickt". Schließe dazu die Elektroden an die Enden der Kabel und lege sie in die Plastikwanne. Was passiert, wenn sich die Elektroden berühren?
- Fülle nun destilliertes Wasser in die Wanne. (destilliertes Wasser enthält keine Mineralien, ist also das "Gegenteil" von Mineralwasser.) Leuchtet die Lampe?
- Gebe einen Löffel Salz in das Wasser und rühre gut um.
- Beobachte genau, was im Wasser passiert!
- Beobachtung
- Folgerung
- Reines Wasser ist ein sehr schlechter Leiter.
- Wasser mit etwas Salz ist ein guter Leiter.
- Ein Salzmolekül besteht aus einem Natriumatom (Na) und einem Cloratom (Cl). Im Wasser löst sich das Salz: Das NaCl- Molekül teilt sich in seine Bestandteile. Aber das Natriumatom gibt ein Elektron an das Chloratom ab. Jetzt ist das Natrium positiv geladen (Na+) und das Clor negativ (Cl-). Man nennt die geladenen Atome Ionen.
- Die Ionen können sich nun im Wasser bewegen. Das negative Chlor-Ion wandert zur positiven Elektrode, denn unterschiedliche Ladungen werden zusammengezogen. Dort gibt das Chlor-Ion sein Elektron ab und wird zu Chlorgas, das den stechenden Geruch verursacht.
- In Flüssigkeiten werden Ladungen durch positive und negative Ionen transportiert.
(L1) Leitfähigkeit: feste Stoffe
- Material
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- Aufbau
- Verbinde zwei Kabel zu einem langen Kabel und schließe mit dem Llangen und dem verbliebenen kurzen Kabel das Lämpchen an das Netzgerät an. Drehe das Netzgerät auf, bis das Lämpchen leuchtet.
- Was passiert, wenn du die zu einem Kabel verbunden Kabel auseinanderziehst?
- "Flicke" den unterbrochenen Stromkreis nun wieder, indem du die Kabel durch viele verschiedene Gegenstände verbindest.
- Schreibe auf, ob die Gegenstände den elektrischen Strom leiten.
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Gegenstand |
Leiter / Nichtleiter |
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Klinge der Schere aus Eisen |
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Griff der Schere aus Kunststoff |
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Radiergummi aus Kunststoff |
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Bleistiftmine aus Graphit |
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... |
- Folgerung
- Manche Materialien können den elektrischen Strom leiten, man nennt sie Leiter, andere nicht, die nennt man Nichtleiter oder Isolatoren.
- Alle Metalle sind Leiter. Graphit ist ein Leiter.
- Kunststoffe, Glas, Keramik, Holz sind Isolatoren.
- In manchen festen Stoffen ist ein Teil der Elektronenhülle relative leicht beweglich. Durch die Bewegung der Elektronen werden Ladungen transportiert.
(L3) Leitfähigkeit: Gase
Lehrerversuch
evt. was mit der Glimmlampe?
Material zur Leitfähigkeit von Gasen für den Heftaufschrieb
Blitze erzeugen mit der Influenzmaschine
Links
- Die Zitronenbatterie (Ulrich Helmich)
- Elektrolyse einer NaCl Lösung (Dr. Sven Sommer)
