Strom Fachlicher Hintergrund

Transkript

1 Aspekte des fachlichen Hintergrunds dieser Versuchsreihe Was wäre unsere zivilisierte Welt ohne Elektrizität? Sie spielt in unserem Dasein eine so wesentliche Rolle, dass wir uns ein Leben ohne elektrischen Strom gar nicht mehr vorstellen können. Die gesamte Technik und auch die Wirtschaft sind voll elektrifiziert. Ein nur wenige Stunden andauernder Stromausfall zeigt auf drastische Weise unsere Abhängigkeit von der Elektrizität. Elektrizität ist allerdings nicht nur die Energie, mit der Geräte und Systeme betrieben werden, sondern sie gehört zusammen mit dem Magnetismus zu den Grundkräften des Universums. Einige Sachgrundlagen sollen uns nun näher beschäftigen allerdings zunächst nur abgestimmt auf die vorliegenden Versuche, die in einem ersten Schritt den Zugang zu diesem bedeutungsvollen Lernfeld eröffnen sollen. Woher kommt der Name Elektrizität? Der Grieche Thales von Milet (600 v. Chr.) entdeckte, dass Bernstein seinen Zustand ändert, wenn er kräftig mit Tüchern gerieben wird. Er hat dann die Fähigkeit, leichte Körper anzuziehen. Eine Erklärung für dieses Phänomen konnte damals aber noch nicht gegeben werden. Bernstein heißt im Griechischen elektron und liefert so den Namen für diese erstaunlichen Phänomene. Elektrizität lässt sich daher mit Bernsteineigenschaft übersetzen, da am Bernstein erstmals Elektrizität beobachtet wurde! Was aber ist das Wesen des elektrischen Stroms? Alle elektrischen Vorgänge beruhen auf Bewegungen von ELEKTRONEN! Um dies zu veranschaulichen, können wir das Atommodell zu Hilfe nehmen. Elektronen sind elektrisch negativ geladen. Sie bilden die Hülle des Atoms. Kern PROTONEN im Atomkern sind elektrisch positiv geladen. NEUTRONEN im Kern sind elektrisch neutral. Die meisten Stoffe sind elektrisch neutral, weil in den Atomen immer gleich viele negative Elektronen wie positive Protonen vorkommen. Die elektrischen Ladungen gleichen sich also aus! Von elektrischem Strom wird dann gesprochen, wenn sich Elektronen in eine bestimmte Richtung bewegen. Normalerweise bewegen sich Elektronen auf fixen Bahnen um den Atomkern. Durch eine Besonderheit aller Metalle ist es jedoch möglich, dass sich Elektronen frei bewegen können. Die Elektronen auf der äußersten Bahn - oder Schale - lösen sich unter bestimmten Bedingungen ab. Aus diesem Grund können alle Metalle elektrischen Strom leiten! Grob gesagt, besteht elektrischer Strom also aus vielen Elektronen, die durch die Metalldrähte wandern. 182

2 leicht herauslösbares äußeres Elektron Die Elektronen, die auf der äußeren Schale sitzen, können sich vom Atom lösen und sich als freie Elektronen zwischen den Atomen bewegen. Wenn sich alle in die gleiche Richtung bewegen, fließt elektrischer Strom. Was bewegt die Elektronen? Was bringt den Strom zum Fließen? Stromquellen - wie zum Beispiel Batterien - haben beim Minuspol sehr viele Elektronen. Diese werden bei Batterien durch einen chemischen Prozess im Inneren ständig nachgeliefert. Beim Pluspol besteht ein Elektronenmangel, der ebenfalls durch einen chemischen Prozess in der Batterie aufrechterhalten wird. Verbindet man nun die beiden Pole mit einem Leiter, können sich die Ladungen ausgleichen. Elektronen wandern so vom Minuspol zum Pluspol! Strom kann nun fließen und auf seinem Weg auch Arbeit verrichten, z.b. ein Lämpchen zum Leuchten bringen. Allgemein gesagt: Elektronen wollen sich in einem System immer gleich verteilen, wenn sich auf einer Seite viel mehr Elektronen befinden als auf der anderen. Es besteht also ein Ladungsunterschied, eine Spannung! Dann wollen sie sich auch solange dorthin bewegen, bis sich auf beiden Seiten gleich viele Elektronen befinden! Es gibt dann keinen Ladungsunterschied mehr, keine Spannung. Elektronen können sich aber nicht einfach durch die Luft bewegen (zumindest nicht bei den Stromspannungen, mit denen wir experimentieren), sondern sie benötigen eine Straße, zum Beispiel einen Draht! Bei sehr hohen Spannungen kann der Strom auch schon mal durch die Luft springen! Wie funktioniert ein Stromkreis? Ein Stromkreis ist eine Verbindung von elektrischen Leitern, in denen elektrischer Strom fließen kann. Damit Strom fließen kann, muss ein Spannungserzeuger eine Stromquelle (z.b. eine Batterie oder eine Steckdose) in den Stromkreis eingefügt werden. Die Stromquelle und der Verbraucher (z.b. ein Lämpchen) sind über einen Stromleiter (z.b. einen Metalldraht) verbunden. Durch einen Schalter kann der Stromkreis geschlossen oder unterbrochen werden. Batterie Schalter Lampe Leitung 183

3 Hier ein Beispiel für einen geschlossenen Stromkreis! Stromleiter Schalter (geschlossen) Spannungserzeuger Verbraucher Dieses Lernfeld sprechen die Versuche Glühbirnchen 1,2,3 und Licht aus an! Welche Materialien leiten den elektrischen Strom? Stoffe, durch die elektrischer Strom fließen kann, werden Leiter genannt. Stoffe, durch die elektrischer Strom nicht fließen kann, werden Nichtleiter oder Isolatoren genannt. Gute Leiter sind Metalle, besonders Kupfer, Aluminium, Silber, aber auch Kohle! Nichtleiter sind zum Beispiel Glas, Gummi, Porzellan, Kunststoffe, Nichtleiter werden zu Isolierungszwecken für Sicherungen, Kabelisolierungen usw. verwendet. Eine Mittelstellung zwischen elektrischen Leitern und Isolatoren nehmen die Halbleiter ein. Halbleiter sind Stoffe, die elektrischen Strom nur unter bestimmten Bedingungen leiten. Dazu gehören z.b. Silizium und Germanium. Aus Halbleitern werden Transistoren und integrierende Schaltkreise gemacht, die vor allem in Computern, Fernseh- und Radioapparaten Verwendung finden! Reines Wasser, also destilliertes Wasser, leitet den elektrischen Strom nicht! Wasser aus der Wasserleitung enthält aber stets einige gelöste Stoffe, leitet daher den elektrischen Strom schwach. Bei Netzstrom kann es durch Kurzschluss aber bereits zu lebensgefährlichen Situationen kommen! Zu diesem Lernfeld gehört der Versuch Fließt Strom? Was versteht man unter statischer Elektrizität? Am einfachsten kann man Reibungselektrizität beobachten, wenn man zwei unterschiedliche Gegenstände gegeneinander reibt. Dabei werden ihre Oberflächen intensiv miteinander in Berührung gebracht. 184

4 Elektronen lösen sich dabei von der einen Oberfläche aus der Atomhülle und gehen auf die andere Oberfläche über. Dadurch gerät aber in den einzelnen Stoffen die Anzahl der Elektronen und Protonen aus dem Gleichgewicht. Die Protonen bleiben nämlich fest auf ihrem Platz. Der Körper, der die Elektronen aufnimmt, wird negativ aufgeladen, der andere eher positiv, da er Elektronen abgegeben hat. Nachdem diese Ladungen nicht fließen (zumindest nicht, bis wir es zulassen) spricht man von statischer Elektrizität! Geriebener Stab und Reibzeug sind verschieden geladen. Stellt man nun eine Verbindung zwischen einem geladenen Stoff und einem Leiter her, so können ganz kurz hohe Ströme fließen. Das Knistern, wenn man einen Pullover auszieht ist solch eine Entladung, ebenso wenn man im Winter eine Türklinke angreift und sich dort elektrisiert. Kunststoff, Hartgummi, Glas und auch andere Körper werden durch Reibung elektrisch aufgeladen. Sie haben dann die elektrische Eigenschaft, leichte Körper anzuziehen und fest zu halten, bis die Ladungen wieder ausgeglichen sind! Elektrische Ladungen verhalten sich nach dem Grundsatz Gegensätze ziehen einander an! Gleichartige Ladungen (z.b. Minus und Minus) stoßen einander ab, gegensätzliche Ladungen (Minus und Plus) ziehen einander an! Zu diesem Lernfeld gehören die Versuche Klebende Luftballons, Widerspenstige Luftballons, Lineal mit geheimnisvoller Kraft und Löffel mit Zauberkraft. Elektrischer Strom kann auch gefährlich sein! Gefährlich für den Menschen ist der Stromfluss durch den Körper. Der menschliche Körper besteht auch größtenteils aus Wasser, in dem gelöste Stoffe vorhanden sind! Der Strom fließt im Körper im Wesentlichen durch Muskelgewebe und Nervenstränge. Je nach Stromstärke und Dauer der Elektrisierung können Muskelverkrampfungen, Lähmungserscheinungen, Gewebezerstörung und Herzkammerflimmern auftreten. Der Herzrhythmus kann gestört werden, die Pumpleistung des Herzens ausfallen. Ab einer Spannung von 50 Volt besteht Elektrifizierungsgefahr mit lebensgefährlichen Auswirkungen, wenn der Strom über den Menschen fließt. Im Haushalt beträgt die Spannung 220 Volt. Schutzmaßnahmen gegen Berühren stromführender, nicht isolierter Teile sind daher notwendig. Bei Geräten, die mit Kleinspannung (max. 24 Volt) aus Batterien oder externem Netzgerät betrieben werden, ist eine Elektrisierung ungefährlich. 185

5 Beispiele: Taschenrechner mit Steckernetzteil, Spielzeugeisenbahn mit Trafo, Halogenkleinspannungslampen u. ä. nicht aber Geräte mit eingebautem Netzteil (z.b. Radiorekorder)! Literaturangabe Lewisch, Molzer (1979): Physik und Chemie, 3. Klasse Hauptschule. Oldenburg, westermann wien Paill, Schmut, Wahlmüller (1986): Physik 3, E.Dorner Reichhardt, Hans u.a.: Was ist Was, Band 24, Elektrizität. Verlag Tessloff Brockhaus Enzyklopädie ( ). F.A. Brockhaus, Wiesbaden 186