Thema: Elektrik

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Elektrische Ladungen

Es gibt zwei verschiedene Ladungen:
+ (positives Proton)
– (negatives Elektron)

Zwischen den Ladungen wirkt eine elektrische Kraft. Gleiche Ladungen stoßen sich ab und unterschiedliche ziehen sich an (wie bei Magneten).

Ein neutral geladener Körper besteht aus gleichvielen Protonen wie Elektronen. Durch Reiben können aber Elektronen übertragen werden. Hat er dann mehr Elektronen als Protonen, ist er negativ geladen. Hat er mehr Protonen als Elektronen, ist er positiv geladen.

Aufgaben

Aufgabe 1: Tesafilm
Beim Abziehen eines Tesafilms springt der Film nach dem Loslassen immer wieder an die Rolle zurück oder wird z.B. von der Hand angezogen. Erkläre diese Erscheinung anhand elektrischer Ladungen.



Aufgabe 2: Kräfte bei Ballons
Die beiden Luftballons sind mit einem leichten Gas gefüllt damit sie schweben und werden beide an einem Pullover gerieben.

a) Erläutere, woran man erkennt, dass die Ballons geladen sind und ihre Ladungen das gleiche Vorzeichen haben.

b) Zeichne die Ballons ab und zeichne dann beschriftete Pfeile ein, die die Gewichtskräfte, Auftriebskräfte (wegen der Gasfüllung) und die elektrischen Kräfte für beide Ballons darstellen.
Tipp: Für jeden Ballon geht eine Kraft nach oben, eine nach unten und eine zur Seite.



Aufgabe 3: Geladene Kugeln
Vier geladene Metallkugeln A, B, C und D hängen jeweils an einem dünnen Faden. Kugel D ist positiv geladen. Bei der Untersuchung verschiedener Kugel-Kombinationen zeigt sich folgendes:

Gib an, ob A, B und C jeweils positiv oder negativ geladen sind.



Aufgabe 4: Kurze Fragen, kurze Antworten
a) Ein Gegenstand ist voller Elektronen und trotzdem nicht elektrisch aufgeladen. Wie kann das sein?
b) Wie kann man feststellen, ob ein Körper elektrisch geladen oder ungeladen ist?
c) Die elektrische Kraft und die Gravitationskraft weisen Gemeinsamkeiten auf. Nenne zwei.
d) Die Gravitationskraft und die elektrische Kraft unterscheiden sich in einem Punkt ganz wesentlich. In welchem?
e) Bei elektrischen Ladungen spricht man von Plus und Minus, bei magnetischen Polen von Nord und Süd. Worin unterscheiden sich die beiden ganz wesentlich?

Lösungen

Nicht spicken!


Ladungen in Metallen

Beim Stewart-Tolman-Experiment hat sich gezeigt: In Metallen können sich Elektronen bewegen. Protonen bleiben an ihren festen Positionen.


Experiment mit dem Elektroskop

Material: Koffer mit Elektroskop, Standfuß, Glasstab, Tuch, Plastikstab, Fell


Aufbau: Stecke ein Elektroskop auf einen Standfuß, damit es steht. Das Elektroskop besteht aus einem Metallgehäuse, einem beweglichen Metallzeiger und hat oben einen Metallkopf.


Durchführung 1:
- Lade den Glasstab elektrisch auf, indem du ihn mit dem Tuch reibst.
- Bringe den geladenen Glasstab von oben in die Nähe des Metallkopfes, ohne ihn zu berühren.
- Bewege den Glasstab wieder vom Elektroskop weg.
- Fertige eine Skizze zu dieser Durchführung und der Beobachtung an.
- Notiere ausführlich, was dabei zu beobachten ist.

Durchführung 2:
- Lade den Glasstab elektrisch auf, indem du ihn mit dem Tuch reibst.
- Bringe den geladenen Glasstab von oben an den Metallkopf, so dass er ihn berührt.
- Streife den Glasstab an dem Kopf entlang, damit möglichst viel Ladung übertragen werden kann.
- Bewege den Glasstab wieder vom Elektroskop weg.
- Fertige eine Skizze zu dieser Durchführung und der Beobachtung an.
- Notiere ausführlich, was dabei zu beobachten ist.

Durchführung 3:
- Lade den Plastikstab elektrisch auf, indem du ihn mit dem Fell reibst.
- Bringe den geladenen Plastikstab langsam von oben an den Metallkopf, ohne ihn zu berühren.
- Bewege den Plastikstab wieder vom Elektroskop weg.
- Fertige eine Skizze zu dieser Durchführung und der Beobachtung an.
- Notiere ausführlich, was dabei zu beobachten ist. (Falls es nicht gut geklappt hat, einfach das Elektroskop wieder mit dem Glasstab laden und erneut den Plastikstab in die Nähe bringen.)

Auswertung: (Die ist kompliziert! Arbeitet zusammen und überlegt vorher gut, was in dem Elektroskop passiert.)
- Trage in die Elektroskop-Skizzen jeweils rote Plusse und blaue Minusse ein, mit denen die Bewegung des Zeigers erklärt werden kann.
- Erkläre dann das unterschiedliche Verhalten, wenn der geladene Glasstab in die Nähe gebracht bzw. das Elektroskop berührt wird.
- Erkläre die Beobachtung bei dem Plastikstab-Versuch.


Stromstärke

Wenn sich mehrere Dinge in eine Richtung bewegen, spricht man von einer Strömung bzw. einem Strom. Fließen Elektronen, spricht man von elektrischem Strom. Die Stromstärke gibt an, wie viele davon in einer bestimmten Zeitspanne fließen.

Formelzeichen: I (Intensität)

Einheit: A (Ampere) oder allgemein „fließende Dinge pro Zeit“
1 Ampere entspricht ca. 6,2 Trillionen Elektronen pro Sekunde.

Beispiele:
Verkehrsfluss: I = 31,8 Fahrzeuge pro Minute
Handy aufladen: I = 0,5 A

Aufgaben

Aufgabe 1
Von zwei Quellen soll diejenige mit dem größeren Wasserstrom an die Wasserversorgung angeschlossen werden. Als Messergebnisse liegen vor:
Quelle 1: Es fließen 636 Liter in 12 s.
Quelle 2: Es fließen 720 Liter in 15 s.
Für welche Quelle sollte man sich entscheiden?

Aufgabe 2
Durch den Rhein bei Köln fließen täglich 230 Milliarden Liter Wasser. Das ist pro Stunde der Inhalt von 48 Millionen Badewannen! Die Elbe trägt in jeder Sekunde 900 Liter in die Nordsee.
Vergleiche beide Flüsse, indem du die Stromstärke auf gleiche Einheiten (pro Jahr oder Stunde oder Sekunde oder wie auch immer) bringst.

Aufgabe 3
An dem Gymnasium Brake sind ca. 1140 Schüler angemeldet. Angenommen niemand ist krank, alle kommen zur Schule und sie betreten zur ersten Stunde zu gleichen Teilen den hinteren und den vorderen Eingang innerhalb von 10 Minuten.
Berechne die Stromstärke von Schülern pro Eingang in Minute und in Sekunde.


Elektrische Stromstärke

Aufgabe 1: Elektrische Schaltung

Die beiden Lampen in dem linken Schaltbild befinden sich nacheinander im Stromkreis. Man sagt sie sind "in Reihe" geschaltet oder sie befinden sich in einer "Reihenschaltung". Die beiden rechten Lampen befinden sich nebeneinander. Sie sind "parallel" geschaltet oder sie befinden sich in einer "Parallelschaltung".

Baue beide Schaltungen auf. Am Netzgerät muss der Regler für die Stromstärke (oder Current) ganz aufgedreht werden. Mit dem Regler für die Spannung (oder Voltage) stellst du es auf 12 Volt ein.

a) Beschreibe dann, was du in den unterschiedlichen Schaltungen bei den Lampen beobachten kannst.

b) Stelle eine Vermutung auf, wie deine Beobachtung zu erklären sein könnte.

(Stelle das Netzteil wieder ab, aber behalte die Geräte für später am Platz.)

Aufgabe 2: Simulation

(Erst ganz lesen!)
Nun untersuchst du das Verhalten der Lampen in einer Simulation, die den sonst unsichtbaren Strom (fließende Elektronen) zeigen kann. Gehe dazu auf die nachfolgende Website, dort auf "Labor" und baue mit den Bauteilen links den Stromkreis nach. Die Kabel müssen immer richtig an die Bauteile gezogen werden. Achte besonders bei den Lampen darauf, dass du beide Kontakte richtig anschließt, damit der Strom durch sie hindurch fließt. Mit einem Klick auf die Batterie, kannst du ihre Spannung verändern, damit mehr Strom fließt. Eventuell könnt ihr zu zweit an zwei Geräten arbeiten, damit ihr die Aufgaben und die Simulation gleichzeitig seht.

Simulation: Stromlabor

a) Baue die Schaltung in der Simulation nach und erhöhe ein wenig die Spannung.

b) Beschreibe das unterschiedliche Verhalten der Lampen. Verwende dabei die Wörter "Parallelschaltung" und "Reihenschaltung".

c) Erkläre das unterschiedliche Verhalten mit dem dargestellten Strom.

d) Beschreibe den Weg mit eigenen Worten, den die Elektronen von der Batterie durch den Stromkreis und zurück zur Batterie gehen.

(Beende die Simulation.)

Aufgabe 3: Stromstärke in Ampere

Da du nun eine Vorstellung vom Fließen der Elektronen in einem Stromkreis hast, betrachtest du die Stromstärke. Sie wird bekanntlich nicht als x Elektronen pro Sekunde angegeben, sondern in der Einheit Ampere. Sie ist eine einfachere Angabe dafür, wie viele Elektronen gerade fließen.

Berechne, wie viel Ampere in folgenden Schaltungen bei I3 und I4 zu messen wären.

Aufgabe 4: Stromstärke messen

Um die Ampere der Stromstärke zu messen, schließt man ein sogenanntes Amperemeter an. Es misst sozusagen die Elektronen, die hindurch fließen. In der Abbildung kannst du sehen, wie es angeschlossen und eingestellt werden muss, um die Stromstärke anzuzeigen.

a) Überlege dir, ob man ein Amperemeter "in Reihe" oder "parallel" anschließen muss, um die Stromstärke durch eine Lampe zu messen (siehe Abbildung). Erkläre dann, wie man es anschließen muss.

b) Baue die Schaltungen aus Aufgabe 1 nochmal auf. Messe jeweils für beide Lampen die Stromstärke und notiere die Werte.

Aufgabe 5: Eigenes Tafelbild

Erstelle ein Tafelbild zur Stromstärke. Dabei soll zum einen der Weg der Elektronen beschrieben werden und zum anderen besonders das unterschiedliche Verhalten in Reihen- und Parallelschaltungen enthalten sein. Zudem soll gesagt werden, wie ein Amperemeter in den Stromkreis gebracht werden muss.


Stromstärke: Aufgaben

Aufgabe 1: Berechnungen

Gib jeweils die fehlenden Stromstärken an.

a)

b)

c)

d)

e)

Aufgabe 2: Messungen

a) Zeichne den Schaltplan ab.

b) Es soll an jeder Lampe und an der Stromquelle die Stromstärke gemessen werden. Zeichne dafür farbig vier Positionen von Amperemetern ein, mit denen sie jeweils gemessen werden kann.

c) Baue die Schaltung auf und miss nacheinander die Stromstärken. Notiere die Angaben in deiner Zeichnung.
Hinweis: Beim Multimeter muss ein Kabel in COM und eines in mA. Dann die Wahlscheibe auf mA drehen.


Spannung

Die Spannung einer Quelle treibt die Elektronen eines Stromkreises an. Sie transportieren dabei vom Minus- zum Pluspol Energie von der Quelle zu den Bauteilen (wodurch z.B. Lampen leuchten).

Formelzeichen: U (Lat. "urgere", drängen, treiben, drücken)
Einheit: V (Volt)

Beispiele:
Steckdose: U = 230 V
Batterie: Z.B. U = 1,5 V
Flachbatterie: U = 4,5 V
Blockbatterie: U = 9 V


Spannungsquellen

Die Spannung einer Quelle treibt die Elektronen eines Stromkreises an. Sie können dabei auf verschiedene Weise angetrieben werden.

Infos zu Spannungsquellen



Aufgaben

1) Lies die Infos zu Spannungsquellen durch.
2) Gib zusätzlich zu den oben genannten Möglichkeiten weitere an, um Elektronen anzutreiben.
3) Warum ist es falsch zu sagen: „Der Strom kommt aus der Steckdose“?
4) Wenn ich mit der Spannung einer Autobatterie (12 Volt) die Geräte im Haushalt mit elektrischer Energie versorgen wollte, was würde im Haushalt passieren?


Spannung: Aufgaben

Aufgabe 1: Aussagen über Strom

Sandra, Juri und Alex diskutieren über die Größen des elektrischen Stromkreises:

Schreibe zu jeder Aussage einen kurzen Kommentar. Korrigiere die Aussagen, falls nötig.

Aufgabe 2: Begriffe

Erläutere die Begriffe "Stromstärke" und "Spannung" mit eigenen Worten.

Aufgabe 3: Messgeräte verstehen

a) Erläutere die Aussagen: Ein Stromstärkemessgerät muss in Reihe zum Gerät geschaltet werden. Ein Spannungsmessgerät muss parallel zum Gerät geschaltet werden (siehe Abbildung).

b) Begründe: Ein Stromstärkemessgerät muss den Strom ungehemmt durchlassen. Ein Spannungsmessgerät darf den Strom nicht durchlassen.

c) Ein Stromstärkemessgerät wird anstatt eines Spannungsmessgeräts eingebaut. Beschreibe und erkläre, was geschieht.

Aufgabe 4: Messgeräte einbauen

Zeichne die beiden Schaltbilder ab und trage dabei sinnvoll das Messgerätezeichen A (Amperemeter = Stromstärkemessgerät) oder V (Voltmeter = Spannungsmessgerät) ein, das bei den Zahlen eingebaut sein müsste.