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==Leere Seite==
 
 
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__NOTOC__
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==Elektrischer Energietransport: Beladungsmaß und Leistung==
−
 
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====Versuch: Eine helle Lampe====
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=Arbeitshinweise=
+
;Aufbau
−
*Schneidet bei jeder Station die '''Versuchsanleitung''' aus und klebt sie als Überschrift ins Heft.
+
[[Datei:Stromkreis_Versuch_zwei_Lampen_Potential_als_Energiebeladungsmaß.jpg|thumb|Die linke Lampe ist an ein Netzgerät angeschlossen, die rechte über einen Schalter an die Steckdose.]]
−
*Schreibt / zeichnet unter der Überschrift '''Beobachtung''' eure Beobachtungen
+
Eine 60W-Glühbirne ist an der Steckdose angeschlossen, die andere (12V/250mA) wird mit einem Netzgerät betrieben. Bei beiden Lampen wird die Stromstärke gemessen.
−
* und unter der Überschrift '''Folgerungen''' eure Erklärungen oder Ergebnisse auf.
+
;Beobachtung
−
*Bei einigen Stationen sollt ihr auch noch eine Zusatzfrage beantworten.
+
Durch beide Lampen fließt der gleiche Strom mit einer Stärke von ca. 0,25 Ampère, aber die an der Steckdose angeschlossene Lampe ist viel heller!
  
−
=A) Eigenschaften von Magneten=
+
;Folgerung
 +
Offensichtlich ist "der Strom aus der Steckdose" anders als "der Strom aus dem Netzgerät". Der "Steckdosenstrom" transportiert mehr Energie!
  
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==Station 1: Ein Magnet und andere Stoffe==
+
====Versuch: Kichererbsentransport====
−
[[Datei:Magnetismus_Lernzirkel1_Stoffe_untersuchen.jpg|thumb]]
+
 
;Aufbau
 
;Aufbau
−
Haltet den Permanentmagneten an verschiedene Gegenstände im Zimmer und an die kleinen Würfel. Bei welchen Stoffen zeigt sich eine Wechselwirkung, bei welchen nicht?
+
[[Datei:Energiestromstärke Leistung Versuch Erbsenstromstärke.png|400px|left]]
−
*Schreibt eure Beobachtung in einer Tabelle auf.
+
In einer Kiste auf einer Seite des Raumes befinden sich Erbsen. (Man kann auch Streichhölzer nehmen.) Die Erbsen sollen in eine noch leere Kiste auf der anderen Seite transportiert werden. Aber jede Person darf nur zwei Erbsen nehmen!
  
 +
Wir arbeiten zusammen und schauen, wie schnell wir die Erbsen transportieren können.
 +
<br style="clear: both" />
 +
 +
;Messwerte und Auswertung
 +
In diese leere Tabelle schreiben wir unsere Ergebnisse:
 
{|class="wikitable" style="text-align: center"
 
{|class="wikitable" style="text-align: center"
−
!style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
+
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
−
magnetisierbare Stoffe   
+
Erbsen-<br>beladung
−
!valign="top"; style="border-style: solid; border-width: 4px "|
+
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
−
nicht magnetisierbare Stoffe
+
Zeit-<br>spanne
 +
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
 +
Personen-<br>anzahl
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!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Erbsen-<br>anzahl
 +
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Personen-<br>stromstärke
 +
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Erbsen-<br>stromstärke
 
|-
 
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
 
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "| Bleistift (Holz, Graphit)
+
<math>2\,\rm \frac{E}{P}</math>
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|-
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
.
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|-
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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.
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|-
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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.
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|-
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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.
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
 
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|}
  
−
;Material
+
Ob wir uns bei den Erbsen verzählt haben, kann man leicht überprüfen. Die Personenanzahl multipliziert mit der Erbsenbeladung muss die Erbsenanzahl ergeben!
−
*ein Stabmagnet
+
−
*Probewürfel aus verschiedenen Materialien
+
−
*Gegenstände aus dem Zimmer
+
−
<br style="clear: both" />
+
  
−
==Station 2: Die Pole eines Permanentmagneten (Kompass)==
+
Die Stromstärken berechnen sich als Personen pro Zeit und als Erbsen pro Zeit.
−
[[Datei:Magnetismus_Lernzirkel1_Pole.jpg|thumb]]
+
−
;Aufbau
+
−
1) Hängt einen Permanentmagneten mit einer Schnur drehbar auf und markiert den nach Norden zeigende Ende mit einem Stift. Dann macht ihr das gleiche mit dem anderen Magneten.
+
  
−
2) Taucht die Permanentmagnete in das Eisenpulver.
+
Man bemerkt, dass man die Erbsenstromstärke auch mit Hilfe der Personenstromstärke ausrechnen kann. Dazu muss man nur die Personenstromstärke mit der Beladung multiplizieren!
  
−
3) Nähert die verschiedenen Pole der Magnete einander.
 
  
−
''Entfernt dann das Eisenpulver wieder von den Magneten und füllt es zurück in das Glas.''
 
  
−
;Material
 
−
*zwei Stabmagnete
 
−
*Eisenpulver
 
−
*eine Schnur
 
−
<br style="clear: both" />
 
  
−
==Station 3: Magneten herstellen und zerstören (magnetische Influenz)==
 
−
[[Datei:Magnetismus_Lernzirkel1_Influenz.jpg|thumb]]
 
−
;Aufbau
 
−
1) Hängt einen Eisennagel an den Nordpol eines Magneten und an diesen wiederum den nächsten Nagel und so weiter. Versucht eine möglichst lange Nagelkette zu bilden.
 
−
Probiert eine Nagelkette ohne Magneten zu bilden.
 
  
−
2) Streicht mit einem Pol eines Permanentmagneten mehrmals in nur einer Richtung über einen Eisennagel. Danach hält man zuerst das eine, dann das andere Ende des Nagels an den Kompass.<br>
 
−
Streicht mit dem gleichen Pol, aber in der anderen Richtung über den Nagel und haltet wieder die Enden an den Kompass.<br>
 
−
Dann schmeißt man den magnetisierten Nagel mehrmals kräftig auf den Boden und untersucht ihn wiederum mit dem Kompass.
 
−
;Material
 
−
*ein Stabmagnet
 
−
*einige Eisennägel
 
−
*ein Minikompass
 
−
<br style="clear: both" />
 
  
−
==Station 4: Das Innere eines Magneten (Modell der Elementarmagnete)==
 
−
[[Datei:Magnetismus_Lernzirkel1_zerbrochener_Magnet_Elementarmagnete.jpg|thumb]]
 
  
−
1) Untersucht den zerbrochenen Magneten mit dem Minikompass auf Magnetpole. Wenn der Magnet in mehrere Teile zerbrochen ist, untersucht auch die kleinen Bruchstücke.
 
  
−
2) Streicht mit einem Pol des Magneten mehrmals in der gleichen Richtung über den Eisendraht. Legt danach den Magneten etwas weiter weg, damit er den Versuch nicht stört.<br>
 
−
Untersucht dann den Eisendraht mit dem Kompass auf Pole und markiert den Nordpol mit einem Stift.<br>
 
−
Zerbrecht den Eisendraht in zwei gleiche Teile und markiert wieder die Nordpole.<br>
 
−
Zerbrecht nun die beiden Hälften in Viertel, diese in Achtel, und so weiter. Markiert jedesmal den Nordpol.
 
−
;Material
 
−
*ein zerbrochener Stabmagnet
 
−
*ein Minikompass
 
−
*ein Eisendraht mit Sollbruchstellen
 
−
<br style="clear: both" />
 
  
−
==Station 5: Aufgaben==
 
−
Teilt man einen Magneten in immer kleinere Stücke, entstehen wieder Magnete mit Nord- und Südpol. Wiederholt man diese Zerteilung immer und immer wieder, so gelangt man zu den einzelnen Atomen, den Elementarmagneten. Ein Eisenatom ist zum Beispiel ein winziger Magnet.
 
−
{|class="wikitable" style="border-style: solid; border-width: 4px "
 
−
|
 
−
Bei magnetisierbaren Stoffen, wie Eisen, Nickel und Kobalt sind die Atome kleine Elementarmagnete. Bei nichtmagnetisierbaren Stoffen sind die Atome keine Magnete.
 
  
−
Bei magnetisierten Stoffen sind die Elementarmagnete in eine gemeinsame Richtung ausgerichtet.
 
−
|}
 
  
−
'''1)''' In den Bildern sind die Elementarmagnete von
 
−
:a) einem unmagnetisierten Stück Eisen
 
−
:b) einem Stück Kupfer
 
−
:c) einem magnetisierten Stück Eisen
 
−
gezeichnet. Ordne die Bilder zu und begründe.
 
−
<gallery widths=200px  perrow=3>
 
−
Bild:Festmagnet vollständig magnetisiert.png|
 
−
Bild:Unmagnetisierbarer_Gegenstand.png|
 
−
Bild:Festmagnet Weiss-Bezirke unmagnetisch.png|
 
−
</gallery>
 
  
  
−
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+
==Vergleich des Erbsentransports mit dem elektrischen Energietransport==
−
Reines Eisen (Fe) ohne Beimischungen nennt man ''Weicheisen''. Aus Weicheisen wird durch Beimischung von Kohlenstoff und anderen Zusätzen ''Stahl'' hergestellt.<br>
+
Mit Hilfe des Erbsentransportes können wir erklären, warum die Lampen so unterschiedlich hell leuchten. Dazu vergleichen wir den Erbsentransport durch Personen mit dem Energietransport durch die elektrische Ladung:
−
Dadurch verändert sich die Drehbarkeit der Elementarmagnete! In Weicheisen sind sie leicht veränderbar, je mehr Zusätze das Eisen enthält, desto stabiler ist die Ausrichtung der Elementarmagnete.
+
  
−
'''2)''' In Station 3 habt ihr eine "Nagelkette" an einen Magneten gehängt. Ohne den Magneten bleiben die unteren Nägel nicht an dem oberen hängen.
+
*Die im Kreis laufenden Personen entsprechen der im Kreis fließenden Ladung: <math> \text{1 Person } \widehat{=} \text{ 1 Coulomb}</math>
−
*Zeichnet ein Bild mit einer Nagelkette mit nur zwei Nägeln. Zeichnet in den Magneten sowie in die Nägel die Ausrichtung der Elementarmagnete und die Pole ein.
+
*Die transportierten Erbsen entsprechen der transportierten Energie: <math> \text{1 Erbse } \widehat{=} \text{ 1 Joule}</math>
−
*Erklärt warum die Nägel mit Magnet aneinander haften und ohne Magnet nicht.
+
*Die Erbsenbeladung entspricht dem elektrischen Potential: <math> \text{1 Erbse pro Person } \widehat{=} \text{ 1 Joule pro Coulomb} = \text{1 Volt}</math>
  
−
'''3)''' Bei Station 3 habt ihr einen Eisennagel magnetisiert und durch Erschütterungen wieder entmagnetisiert.<br>
+
Jetzt können wir die entsprechende Tabelle aufstellen:
−
*Erkläre dieses Ergebnis mit dem Modell der Elementarmagnete. (Zeichnung und Text)
+
  
−
'''4)''' Wie werden wohl Permanentmagnete hergestellt, die man kaufen kann? Überlegt euch mindestens eine Möglichkeit.
+
{|class="wikitable" style="text-align: center"
−
 
+
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
−
 
+
Energie-<br>beladung
−
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+
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
−
Bei einem magnetisierten Gegenstand hebt sich die Wirkung der Nord- und Südpole in der Mitte gegenseitig auf. Nur die Pole am Anfang und am Ende wirken nach Außen.<br>
+
Zeit-<br>spanne
−
Man beschreibt daher den Magnetisierungszustand auch mit Magnetisierungslinien:
+
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
−
 
+
Ladungs-<br>menge
−
{|class="wikitable" style="border-style: solid; border-width: 4px "
+
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|
+
Energie-<br>menge
−
[[Datei:Festmagnet mit Ladungen.png|200px]]
+
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
−
|
+
(Ladungs-)<br>Stromstärke
−
Magnetisierungslinien beschreiben die Ausrichtung der Elementarmagnete innerhalb eines Gegenstandes. Sie verlaufen vom Südpol zum Nordpol.
+
!width="16%" style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
Energie-<br>stromstärke<br>(Leistung)
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|-
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
<math>12\,\rm V = 12\,\rm \frac{J}{C}</math>
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|  
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
<math>0{,}25\,\rm A=0{,}25\,\rm \frac{C}{s}</math>
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|-
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
<math>230\,\rm V = 230\,\rm \frac{J}{C}</math>
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
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<math>0{,}25\,\rm A=0{,}25\,\rm \frac{C}{s}</math>
 +
|style="border-style: solid; border-width: 4px "|
 
|}
 
|}
  
−
'''5)''' Bei diesen Permanentmagneten ist die Ausrichtung der Elementarmagnete durch Magnetisierungslinien gekennzeichnet.
+
Weil wir die Zeitdauer nicht kennen, die Lampen können ja eine Sekunde oder eine Stunde lang angeschaltet sein, können wir uns eine wählen.  
−
*Kennzeichne die Südpole grün und die Nordpole rot.
+
−
 
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−
<gallery widths=200px heights=200px perrow=3>
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−
Bild:Lernzirkel_Magnetismus_Aufgabe_Magnetisierungslinien_Scheibenmagnet_mit_Linien.png|Ein Scheibenmagnet.
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−
Bild:Lernzirkel_Magnetismus_Aufgabe_Magnetisierungslinien_Magnet_mit_Linien_NSNS.png|Dieser Magnet hat mehr als zwei Pole!
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−
Bild:Lernzirkel Magnetismus Aufgabe Magnetisierungslinien Ringmagnet mit Linien.png|Ein ringförmiger Magnet.
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</gallery>
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+
−
'''6)''' Bei diesen Permanentmagneten sind die Pole gekennzeichnet.
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*Zeichne den möglichen Verlauf der Magnetisierungslinien ein.
+
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<gallery widths=200px heights=200px perrow=3>
+
−
Bild:Lernzirkel_Magnetismus_Aufgabe_Magnetisierungslinien_Hufeisenmagnet.png
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Bild:Lernzirkel_Magnetismus_Aufgabe_Magnetisierungslinien_Rundmagnet_NSNS.png
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Bild:Lernzirkel_Magnetismus_Aufgabe_Magnetisierungslinien_Rundmagnet_NNSS.png
+
−
</gallery>
+
−
 
+
−
'''7)''' An einen Permanentmagneten hängen ein oder zwei Weicheisenstücke.
+
−
*Baut euch selbst die Situation nach und sucht mit einem Kompass die Pole.
+
−
*Zeichnet dann die Magnetisierungslinien im Weicheisen ein.
+
  
−
;Material
+
Wählt man als Zeitdauer eine Sekunde, ist es einfach die geflossene Ladungsmenge zu bestimmen, denn bei einer Stromstärke von 0,25 Ampère fließen ja gerade 0,25 Coulomb pro Sekunde!
−
*ein Stabmagnet
+
In zwei Sekunden fließen daher 0,5 Coulomb usw.
−
*zwei Stücke Weicheisen
+
−
*ein Minikompass
+
  
−
<gallery widths=250px heights=250px perrow=3>
+
Die transportierte Energiemenge ergibt sich aus der geflossenen Ladung mal dem Beladungsmaß.
−
Bild:Lernzirkel_Magnetismus_Aufgabe_Magnetisierungslinien_Stabmagnet_mit_Weicheisen.png
+
−
Bild:Lernzirkel_Magnetismus_Aufgabe_Magnetisierungslinien_Stabmagnet_mit_zwei_Weicheisen.png
+
−
</gallery>
+
  
−
<br style="clear: both" />
+
Die Energiestromstärke kann man jetzt entweder als Energie pro Zeit berechnen oder als Ladungsstromstärke mal Beladungsmaß.

Aktuelle Version vom 30. April 2025, 12:19 Uhr

Elektrischer Energietransport: Beladungsmaß und Leistung

Versuch: Eine helle Lampe

Aufbau
Die linke Lampe ist an ein Netzgerät angeschlossen, die rechte über einen Schalter an die Steckdose.

Eine 60W-Glühbirne ist an der Steckdose angeschlossen, die andere (12V/250mA) wird mit einem Netzgerät betrieben. Bei beiden Lampen wird die Stromstärke gemessen.

Beobachtung

Durch beide Lampen fließt der gleiche Strom mit einer Stärke von ca. 0,25 Ampère, aber die an der Steckdose angeschlossene Lampe ist viel heller!

Folgerung

Offensichtlich ist "der Strom aus der Steckdose" anders als "der Strom aus dem Netzgerät". Der "Steckdosenstrom" transportiert mehr Energie!

Versuch: Kichererbsentransport

Aufbau
Energiestromstärke Leistung Versuch Erbsenstromstärke.png

In einer Kiste auf einer Seite des Raumes befinden sich Erbsen. (Man kann auch Streichhölzer nehmen.) Die Erbsen sollen in eine noch leere Kiste auf der anderen Seite transportiert werden. Aber jede Person darf nur zwei Erbsen nehmen!

Wir arbeiten zusammen und schauen, wie schnell wir die Erbsen transportieren können.

Messwerte und Auswertung

In diese leere Tabelle schreiben wir unsere Ergebnisse:

Erbsen-
beladung

Zeit-
spanne

Personen-
anzahl

Erbsen-
anzahl

Personen-
stromstärke

Erbsen-
stromstärke

2EP

.

.

.

.

Ob wir uns bei den Erbsen verzählt haben, kann man leicht überprüfen. Die Personenanzahl multipliziert mit der Erbsenbeladung muss die Erbsenanzahl ergeben!

Die Stromstärken berechnen sich als Personen pro Zeit und als Erbsen pro Zeit.

Man bemerkt, dass man die Erbsenstromstärke auch mit Hilfe der Personenstromstärke ausrechnen kann. Dazu muss man nur die Personenstromstärke mit der Beladung multiplizieren!







Vergleich des Erbsentransports mit dem elektrischen Energietransport

Mit Hilfe des Erbsentransportes können wir erklären, warum die Lampen so unterschiedlich hell leuchten. Dazu vergleichen wir den Erbsentransport durch Personen mit dem Energietransport durch die elektrische Ladung:

  • Die im Kreis laufenden Personen entsprechen der im Kreis fließenden Ladung: 1 Person ˆ= 1 Coulomb
  • Die transportierten Erbsen entsprechen der transportierten Energie: 1 Erbse ˆ= 1 Joule
  • Die Erbsenbeladung entspricht dem elektrischen Potential: 1 Erbse pro Person ˆ= 1 Joule pro Coulomb=1 Volt

Jetzt können wir die entsprechende Tabelle aufstellen:

Energie-
beladung

Zeit-
spanne

Ladungs-
menge

Energie-
menge

(Ladungs-)
Stromstärke

Energie-
stromstärke
(Leistung)

12V=12JC

0,25A=0,25Cs

230V=230JC

0,25A=0,25Cs

Weil wir die Zeitdauer nicht kennen, die Lampen können ja eine Sekunde oder eine Stunde lang angeschaltet sein, können wir uns eine wählen.

Wählt man als Zeitdauer eine Sekunde, ist es einfach die geflossene Ladungsmenge zu bestimmen, denn bei einer Stromstärke von 0,25 Ampère fließen ja gerade 0,25 Coulomb pro Sekunde! In zwei Sekunden fließen daher 0,5 Coulomb usw.

Die transportierte Energiemenge ergibt sich aus der geflossenen Ladung mal dem Beladungsmaß.

Die Energiestromstärke kann man jetzt entweder als Energie pro Zeit berechnen oder als Ladungsstromstärke mal Beladungsmaß.

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