Lernzirkel: Grundlagen des elektrischen Stromkreises: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 6. Dezember 2015, 23:07 Uhr

(E) Energietransport

Material

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.

(A1) Antrieb: chemisch

Material

Aufbau

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  Eine Kartoffelbatterie

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  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".

(A2) Antrieb: elektromagnetisch

Material

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

Aufbau

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  Versuchsaufbau

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  Das Innenleben eines Föns

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  Eine alte Kochplatte

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  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

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.

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  Der Punkt zeigt die Stromrichtung an: Aus der Zeichenebene hinaus.

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• Das Feld einer Spule mit vielen Windungen ist fast ausschließlich in der Spule und homogen.

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  Innerhalb der Spule sind die Feldlinien ziemlich parallel.

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  Das Helligkeitsbild der Feldstärke zeigt an welchen Stellen sich "viel Feld" befindet.

(W2b) Wirkung: Magnetfeld (Elektromagnet/Elektromotor)

Material

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 periodisch geändert.

(W3 / L2) Wirkung: chemisch / Leitfähigkeit: Flüssigkeiten

Material

Aufbau

Beobachtung

(L1) Leitfähigkeit: feste Stoffe

Material

(L3) Leitfähigkeit: Gase

Lehrerversuch

evt. was mit der Glimmlampe?

Material zur Leitfähigkeit von Gasen für den Heftaufschrieb

Blitze erzeugen mit der Influenzmaschine