DER MENSCH ALS WIDERSTAND

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1 Seminar für Didaktik und Lehrerbildung Reutlingen DER MENSCH ALS WIDERSTAND NWA-Tag Zusammengestellt von: Katrin Mayer Katrin Wahl

2 INHALT Der Mensch als Widerstand Fachliche Grundlagen Grundbegriffe Zusammenhang von Antrieb, Stromstärke, Widerstand Der elektrische Widerstand Der Mensch als Widerstand Wirkungen des elektrischen Stroms auf den Menschen Umgang mit dem elektrischen Strom Gefahrenquellen im Alltag Schutzhinweise/ Regeln Auf was ist in der Schule zu achten? Sofortmaßnahmen Exkurs Blitze Verhalten bei Gewitter Bezug zum Bildungsplan Kompetenz und Arbeitsweisen Kompetenzerwerb durch das Erschließen von Phänomenen, Begriffen und Strukturen Arbeitsmaterialien Versuche zum Widerstand des Menschen Was würde passieren wenn der Strom der Steckdose durch mich fließt? Wann fließt Strom wenn ich in die Steckdose fasse? Worin besteht die Gefahr? Was tun bei Gewitter? Quellen...14 Anhang 2

3 DER MENSCH ALS WIDERSTAND Das mit dem Strom ist so eine Sache. Wir sollen vorsichtig sein, es gibt Kindersicherungen, Blitze sind gefährlich, Aber wie funktioniert das eigentlich alles? Und wie ist das mit Blitzen? Die haben doch auch mit Elektrizität zu tun! Warum kann elektrischer Strom gefährlich sein? Was würde eigentlich passieren wenn ich an die Steckdose fasse? Wie verhalte ich mich richtig? Wovon hängt mein Widerstand ab? Diese Fragen werden im Folgenden kurz besprochen, sowie einige Versuche dazu vorgestellt. Die entsprechenden Versuchsanleitungen sind im Anhang zu finden. Zu Beginn jedoch noch einige Grundlagen zum Thema Strom und Widerstand. 3

4 1 FACHLICHE GRUNDLAGEN 1.1 GRUNDBEGRIFFE Begriffe elektrische Stromstärke I Stärke des elektrischen Stroms die Menge an Elektrizität, die pro Zeit an einer Stelle einer elektrischen Leitung (Draht) vorbeikommt Maßeinheit: Ampere [A] elektrische Spannung U fungiert als Antrieb für den elektrischen Strom. Aussage über zwei Stellen einer elektr. Anordnung Einheit: Volt [V] elektrisches Potential ist der Wert (des Druckes), der an einer Stelle einer Schaltung gemessen wird. Maßeinheit: Volt [V] ZUSAMMENHANG VON ANTRIEB, STROMSTÄRKE, WIDERSTAND Je größer die elektrische Potentialdifferenz zwischen zwei Stellen (je größer der Antrieb) ist, desto stärker ist der elektrische Strom, der von der einen zur anderen Stelle fließt. Die Stärke des elektrischen Stroms, der durch ein Gerät fließt, ist umso größer, je größer der Potentialunterschied zwischen den Anschlüssen der Batterie ist (je größer der Antrieb ist) je kleiner der Widerstand ist, den der Draht dem Strom entgegensetzt. Potentialunterschied Elektrische Stromstärke hängt ab von Elektrischen Widerstand DER ELEKTRISCHE WIDERSTAND Jeder Gegenstand setzt der fließenden Elektrizität einen Widerstand entgegen bzw. hat einen Widerstand. 4

5 elektrischer Widerstand R: Quotient aus U und I ist der Widerstand Maßeinheit: Ohm [] Alle Gegenstände haben einen unterschiedlichen Widerstand. Wenn U ~ I, dann bleibt der Widerstand R, also U / I konstant. Der Widerstand einer Leitung hängt ab von dem Durchmesser: Verdoppelt man die Querschnittsfläche eines Drahtes, so nimmt der Widerstand auf die Hälfte ab. Denn jetzt können ja an der gleichen Stelle doppelt so viele Ladungen durchfließen. R ~ der Länge: Verdoppelt man die Länge eines Drahtes, so nimmt der Widerstand auf das doppelte zu (denn jetzt müssen sich die Ladungen doppelt so lang durch den Widerstand kämpfen.) l A dem Material: Der Widerstand ist materialabhängig. Dies nennt man spezifischer Widerstand (Roh) Maßeinheit: m (Ohm) R l A Spezifische Widerstände bei 20 C: Material in m Kupfer 1,7 x 10-8 Aluminium Eisen groß großer Widerstand klein kleiner Widerstand Quecksilber Destilliertes Wasser Porzellan Plexiglas PVC Quarzglas Quelle: Das große Tafelwerk interaktiv 2008: 106 5

6 1.2 DER MENSCH ALS WIDERSTAND Der menschliche Körper leitet den elektrischen Strom. Unser Körper besteht zu 80% aus Wasser, indem auch Salze enthalten sind (man merkt dies z.b. am Schweiß oder an den Tränen). Wasser, in dem Salze gelöst sind, leiten den elektrischen Strom. Elektrischer Strom kann sehr gefährlich sein. Die Größe der Gefahr für den Menschen, hängt von der Stromstärke, von der Einwirkungsdauer und vom Weg des Stromes durch den Menschen ab. Fließt der Strom durch den Kopf oder das Herz des Menschen sind die Folgen besonders schlimm. Je nach Stromstärke und der Einwirkdauer reagiert der Körper entsprechend. Allerdings sind die entsprechenden Werte in verschiedenen Büchern unterschiedlich groß. Die folgende Tabelle orientiert sich an Dorn/ Bader 1. 2mA 2mA 20mA 20mA 70mA ab 70mA Strom wird gerade wahrgenommen Wenn die Stromstärke steigt, fühlen wir ein Kribbeln, steigt sie weiter verkrampfen die Muskeln. Der stromführenden Leiter kann nicht mehr loslassen werden. Die Verkrampfung ist zu stark. Der elektrische Strom kann zu einem Herzstillstand führen, wenn der Stromweg über das Herz führt. Wie oben aufgeführt, hängt die Stromstärke von dem Widerstand unseres Körpers und der anliegenden Spannung ab. Unser Körperwiderstand liegt bei ungefähr 1,2k. Der Übergangswiderstand von der Kontaktfläche zum Leiter und unser Körperwiderstand ergeben zusammen den Gesamtwiderstand. Die Größe der Kontaktfläche und auch der Feuchtigkeitsgrad der Haut spielen eine große Rolle. Nach Dorn/ Bader 2 bleibt die Stromstärke durch den menschlichen Körper ungefährlich, wenn die Spannung 24V nicht überschreitet. 1 Dorn/Bader (2007), S Dorn/Bader (2007), S

7 1.2.1 WIRKUNGEN DES ELEKTRISCHEN STROMS AUF DEN MENSCHEN Die meisten menschlichen Organe funktionieren durch elektrische Ströme, die vom Gehirn durch die Nerven an die entsprechenden Muskeln o.ä. geschickt werden. Kommen nun von außen Ströme in den Körper können dadurch die körpereigenen Ströme beeinflusst werden. Die häufigsten Wirkungen des Stroms auf den menschlichen Körper sind Verkrampfungen und Verbrennungen. Durch die Beeinflussung der körpereigenen Impulse kann es z.b. zum Herzstillstand oder zu Verkrampfungen der Atemmuskulatur kommen. Durch die Wärmeentwicklung beim Stromfluss kommt es zu inneren und äußeren Verbrennungen, davon sind vor allem, die Ein- und Austrittsstellen betroffen UMGANG MIT DEM ELEKTRISCHEN STROM GEFAHRENQUELLEN IM ALLTAG Die Gefahren im Alltag durch Strom, bestehen in den Auswirkungen des Stroms, sowie in Folgeunfällen (z.b. Sturz durch Erschrecken). Auf folgende Dinge sollte im Alltag daher geachtet werden. Die größten Gefahrenquellen stellt der unsachgemäße und unvorsichtige Umgang mit Elektrizität dar, z.b. kaputte Kabel, Brände (durch ein vergessenes Bügeleisen, oder den Herd), Kontakt von Wasser und Elektrizität (Küche oder Bad) oder der Wechsel einer Glühbirne und das Herumschrauben an einer Steckdose ohne die Sicherung herauszunehmen SCHUTZHINWEISE/ REGELN Um sich vor den oben genannten Gefahren zu schützen, sollten einige grundsätzliche Regeln beachtet werden. In der Badewanne keine elektrischen Geräte benutzen. Keine Elektrogeräte anschließen, deren Kabel kaputt sind Reparatur durch Fachmann. 3 Vgl. Physik Interaktiv S.108 7

8 Stecker nicht am Kabel, sondern am Stecker aus der Steckdose ziehen. Leitungen nicht quetschen (z.b. nicht unter Türen durchquetschen). Beim Glühbirnenwechsel die Sicherung herausnehmen. Bei Kleinkindern Steckdosen sichern. An Hochspannungsmasten keine Drachen steigen lassen. Nicht auf Hochspannungsmasten klettern AUF WAS IST IN DER SCHULE ZU ACHTEN? Zunächst müssen grundlegende Sicherheitshinweise eingehalten werden, d.h. die Schüler bekommen erst Strom auf ihre Steckdosen wenn alles ordnungsgemäß aufgebaut ist. Die Schüler wissen wo der Not-Aus-Knopf ist und wann sie ihn benutzen müssen. Desweiteren schreiben die Richtlinien zur Sicherheit im Unterricht 4 vor, dass Schüler bis zur zehnten Klasse nur mit berührungsungefährlichen Spannungen arbeiten dürfen. Wie oben bereits aufgeführt, besteht die Gefährlichkeit des elektrischen Stromes in der Stromstärke und der Einwirkdauer. Jedoch ist die Spannung um einiges leichter zu regeln, so dass für Gleichstrom eine Höchstspannung von 60 V, bei Wechselstrom eine Höchstspannung von 25 V festgelegt wurde SOFORTMAßNAHMEN Kommt es zu einem Unfall durch Elektrizität sind folgende Sofortmaßnahmen zu beachten: Eine Person in einem Stromkreis darf nicht berührt werden. Der Stromkreis muss unterbrochen werden (Stecker ziehen, Sicherung herausnehmen, Notausknopf drücken). Bei Atemstillstand sofort mit Wiederbelebung beginnen (Herzdruckmassage, Mund zu Mund Beatmung). Notarzt rufen. 4 Diese Richtlinien zur Sicherheit im Unterricht müssen an jeder Schule vorhanden sein. Sie werden vom Landesinstitut für Erziehung und Unterricht in Stuttgart herausgegeben und befinden sich normalerweise in dicken orange-roten DIN A5 Ordnern. 5 Vgl. dazu Allgemeines Sicherheitshinweise 8

9 1.4 EXKURS BLITZE Es gibt auch natürliche elektrische Gefahren, z.b. durch Blitze. Ein Blitz ist eine elektrische Entladung. Hervorgerufen werden sie durch große Spannungen in den oberen Luftschichten, die durch das schnelle Aufsteigen von Luft und der dabei aneinander reibenden Teilchen entstehen VERHALTEN BEI GEWITTER Es gibt einige mehr oder weniger sinnvolle Weisheiten wie man sich bei Gewitter verhalten soll. Folgend die wichtigsten Sicherheitshinweise: Meiden von hohen Gegenständen. Der Blitz sucht sich einen möglichst nahen Entladungsgegenstand, dazu sind hohe Gegenstände geeignet. Wenn möglich ein Haus oder ein Auto aufsuchen, diese gelten als sicher. Gibt es keine andere Möglichkeit, sollte man in die Hocke gehen und den Kopf einziehen. (! Nicht auf den Boden legen. Schlägt ein Blitz ein, breitet er sich ringförmig, wie Wasserwellen aus. Legt man sich auf den Boden verbindet man evtl. zwei dieser Ringe mit unterschiedlichem Potential und es fließt ein Strom. Dieses Phänomen nennt man die Schrittspannung.) Meiden von Schirmen, Golfschlägern bzw. allen Gegenständen welche Metall enthalten. Im Internet ist hierzu eine geeignete Simulation unter folgendem Link zu finden. 1.5 BEZUG ZUM BILDUNGSPLAN KOMPETENZ UND ARBEITSWEISEN - Primärerfahrungen. 9

10 o Gesetzmäßigkeiten vermuten. - Reflektieren, Verknüpfen, Anwenden. o Ergebnisse reflektieren und diskutieren (z.b. Stromstärke steigt bei nassen Händen. Was bedeutet das?). - Sekundärerfahrungen. o Ergebnisse reflektieren, diskutieren und bewerten (z.b. Falldiskussionen: Was ist passiert?). - Kooperation und Kommunikation. o Naturwissenschaftliche Erkenntnisse in Alltagssituationen nutzen und anwenden (z.b. richtiger Umgang mit elektrischen Geräten) KOMPETENZERWERB DURCH DAS ERSCHLIEßEN VON PHÄNOMENEN, BEGRIFFEN UND STRUKTUREN - Quantifizieren, Kausalitäten erkennen und beschreiben. o o Selbständig mit Messgeräten an einfachen Phänomenen quantifizieren (z.b. eigenen Widerstand messen). Beziehung zwischen zwei messbaren Größen versuchstechnisch erfassen und mathematisch darstellen (z.b. Beziehung zwischen der Stromstärke und dem Widerstand). - Den eigenen Körper verstehen. - Phänomene und Möglichkeiten ihrer Beschreibung erleben. o o Alltagserfahrungen mit elektrischen Phänomenen beschreiben, mit eigenen Freihandversuchen in Beziehung setzten und mit einfachen Modellvorstellungen erklären. Elektrizität mit den Größen Energie Stromstärke und Spannung beschreiben und den elektrischen Widerstand als Eigenschaft eines Wandlers erkennen. - Naturwissenschaftliche Erkenntnisse und Ereignisse in der öffentlichen Diskussion wahrnehmen und bewerten (Todesstrafe durch den elektrischen Stuhl). 10

11 2 ARBEITSMATERIALIEN 2.1 VERSUCHE ZUM WIDERSTAND DES MENSCHEN Bei diesem Versuch sind die Ziele: (1) Den eigenen Widerstand zu bestimmen. (2) Zu zeigen, wie Wasser, bzw. Creme den Widerstand der Haut heruntersetzt und dadurch eher zu Stromschlägen führt. Es ist vor allem darauf zu achten, dass ein geeigneter Messbereich gewählt wird. 2.2 WAS WÜRDE PASSIEREN WENN DER STROM DER STECKDOSE DURCH MICH FLIEßT? Bei diesem Versuch ist äußerste Vorsicht geboten, er ist nur als Demonstrationsversuch durchzuführen. Mit ihm soll gezeigt werden, was mit dem Körper (Wurst) passieren würde, wenn der Strom der Steckdose durch ihn fließt. Der Versuch ist sehr eindrucksvoll, da man die Wurst rauchen und evtl. glühen sieht und vor allem einen stechenden Geruch wahrnimmt. Ist der Strom wieder abgeschaltet und man fasst die Wurst an spürt man eine deutliche Erwärmung. Achtung: Die Wurst darf erst angefasst werden, wenn der Stecker herausgezogen ist. 2.3 WANN FLIEßT STROM WENN ICH IN DIE STECKDOSE FASSE? Bei diesem Blackboxversuch sollen die Schüler anhand eines Modellmännchens feststellen wann der Strom beim Griff in die Steckdose fließt. Eine Steckdose hat einen Nullleiter, der geerdet ist und einen Außenleiter, also einen Leiter der auf einem anderen Potential liegt. Kommt man nun absichtlich oder versehentlich mit dem Nullleiter in Berührung fließt kein Strom, da es keinen Potentialunterschied zwischen dem Leiter und dem Menschen gibt. Berührt man jedoch den Außenleiter der auf einem anderen Potential liegt, gibt es einen Potentialunterschied zwischen diesem und dem Menschen, der auf der Erde steht, dadurch fließt ein Strom durch den Menschen. 11

12 2.4 WORIN BESTEHT DIE GEFAHR? Bei den folgenden Bildern soll die mögliche Gefahr durch Elektrizität erkannt werden. Die Bilder können als Überprüfung gesehen werden. Im Anhang sind die Bilder nochmals größer und mit der entsprechenden Lösung zum Ausdrucken vorhanden. Schneidet man die Bilder an den durchgezogenen Linien aus und faltet sie an den gestrichelten Linien, erhält man Aufgabenkärtchen auf denen vorne das Bild und hinten die Lösung steht. 12

13 2.5 WAS TUN BEI GEWITTER? Dieser Punkt ist vor allem für die Präsentation gedacht. Im Internet bei Quarks & Co findet man einen Beitrag vom (Wiederholung der Sendung vom ) über Blitze. In der Zeit 30:33min 33:12min gibt es eine geeignete Comicsequenz zu Verhaltensregeln bei Gewitter. Zu finden ist der podcast unter episodes/quarks%20&%20co:% ,%20blitze%20- %20faszinierend%20und%20gef%C3%A4hrlich%20%28Wdh.%20v.% % html (eingesehen am ). 13

14 3 QUELLEN Literatur Erbrecht, R. et al. (2008):Das große Tafelwerk interaktiv. Cornelsen Verlag. Berlin. Dorn, Bader (2007): Physik 1/2. Gymnasium. Schroedel. Braunschweig. Hermann (2006): Der Karlsruher Physikkurs 2. Daten Elektrizität, Licht. STARK Verlag. Köln. Ministerium für Kultus, Jugend und Sport (2004): Bildungsplan 2004 Realschule. Muckenfuß/ Nordmeier (Hrsg.) (2007): Physik interaktiv. Naturwissenschaftliches Arbeiten 1/2. Cornelsen. Berlin. Websites Lycée technique: Folgen von Stromwirkung auf den Menschen www2.lte.lu/chimie/cours8/cours/02strom/mensch/gefahr3.htm (eingesehen am ). Quarks & Co.: Blitze faszinierend und gefährlich (Sendung vom ): %20faszinierend%20und%20gef%C3%A4hrlich%20%28Wdh.%20v.% % html (eingesehen am ). PHYWE: allgemeine Sicherheitshinweise. Bilder Alle Fotos und Zeichnungen: Katrin Wahl (2011) Am Computer erstellte Bilder zu den Versuchsaufbauten (S.14-16): Katrin Mayer (2011) 14

15 Wann fließt Strom, wenn ich in die Steckdose fasse? Material: Modellmensch Kabel kleines Netzgerät 2 Strommessgeräte Aufbau: Baue folgenden Stromkreis. Spannung am Netzgerät: U=12V Black Box Sicherheit: Führe den Versuch nur mit dem Modellmenschen durch! Durchführung 1. Der Modellmensch berührt den roten Leiter. 2. Der Modellmensch berührt den blauen Leiter. 3. Der Modellmensch berührt den blauen und roten Leiter. Beobachtung 1. Das Herz leuchtet 2. Das Herz leuchtet nicht 3. Das Herz leuchtet Erklärung 1. Der roten Leiter liegt auf einem anderen Potential als der Mensch, der auf dem Nullpotential liegt. Demnach herrscht ein Potentialunterschied (eine Spannung). Es fließt ein elektrischer Strom. 2. Der blaue Leiter liegt auf gleichem Potential wie der Mensch, der auf dem Nullpotential liegt. Demnach herrscht kein Potentialunterschied (keine Spannung). Es fließt kein elektrischer Strom 3. Der roten Leiter liegt auf einem anderen Potential als der blaue Leiter. Demnach herrscht ein Potentialunterschied (eine Spannung). Es fließt ein elektrischer Strom. 15

16 Welchen Widerstand habe ich? Material: Aufbau: Eine flache 4,5V Batterie 2 Krokoklemmen 1 Kabel Strommessgerät 2 kleine Kupferbleche Wasser, Creme Baue folgenden Stromkreis, mit einer 4,5V Batterie als Spannungsquelle, auf. A Sicherheit: Versuch darf nur mit einer 4,5V Batterie gemacht werden. Schließe niemals einen Menschen direkt an die Steckdose an! LEBENSGEFAHR! Durchführung: Fasse mit jeweils einer Hand ein Kupferblech an, das in einer Krokoklemme steckt. Stellt das Strommessgerät auf einen geeigneten Bereich (2mA) Was zeigt das Strommessgerät an? Mache die Hände nass und wiederhole den Vorgang. Wiederhole das Gleiche mit eingecremten Händen. Beobachtung Was ist zu beobachtest du am Strommessgerät bei? trockenen Händen? feuchten Händen? cremigen Händen? z.b. I = 0,099mA I = 1,1mA I = 0,4mA R = 45,45kΩ R = 4,09kΩ R = 11,25kΩ Erklärung Die Beschaffenheit der Haut ändert den Übergangswiderstand des Menschen. Hat er nasse oder fettig Hände nimmt der Widerstand des Menschen deutlich ab, bzw. man sieht, dass der Strom der durch den Menschen fließt deutlich größer wird (Zur Erinnerung: Der Widerstand R wird berechnet durch Spannung U (hier: 4,5V) durch Stromstärke I (R=U/I).). 16

17 Was würde passieren, wenn der Strom der Steckdose durch mich fließt? Dieser Versuch ist lebensgefährlich und darf nur von Fachkräften durchgeführt werden! Material: Sicherheit: 2 Isolierständer, Kabel, Würstchen oder Essiggurke Nägel, Stricknadeln Sicherheitssteckdose 6 Nur als Demonstrationsversuch geeignet. Stecker der Sicherheitssteckdose erst einstecken, wenn der Versuch fertig aufgebaut ist. Bei Experimenten mit berührungsgefährlicher Spannung immer eine Hand in die Hosentasche stecken!. Aufbau: Stelle die Isolierständer ( ) auf. Klemme in die Isolierstäbe Eisennägel ( ) Stecke in die Eisennägel eine Wurst ( ) Verbinde die Eisennägel mit der Steckdose Durchführung Beobachtung Erklärung Schalte die Steckdose ein. Jetzt auf keinen Fall mehr die Wurst anfassen! Die Wurst beginnt zu rauchen, zu stinken und evtl. zu glühen. Wenn der Strom abgeschaltet und der Stecker herausgezogen ist und die Wurst berührt wird, merkt man, dass diese warm geworden ist. Die Ein- und Austrittstellen des Stromes sind schwarz. Durch den Strom der durch die Wurst fließt erwärmt sich diese. 6 Anmerkung: gewöhnliche Steckdosenleisten mit Ein- und Ausschalter unterbrechen manchmal nur ein Kabel. Ist dieses Kabel die Erdung liegt auf dem anderen Loch immer noch die Phase an und somit führt dieses Kabel noch Strom. 17

18 Schlägt ein Blitz in ein Haus bzw. in einen Blitzableiter, kann es zu großen Spannungen kommen und zu Überspannungsschäden an elektrischen Geräten. Daher: Bei Gewitter elektrische Geräte ausschalten. Die Steckdose ist ungeschützt, sodass das Baby sich verletzten kann wenn es daran herumspielt 18

19 Das Mädchen hat sich flach auf den Boden gelegt. Dies schützt sie davor, vom Blitz getroffen zu werden. Schlägt aber der Blitz in eine andere Stelle ein, kommt es zur sogenannten Schrittspannung. Diese breitet sich um die Einschlagstelle kreisförmig aus ähnlich wie Wasserwellen wenn man einen Stein ins Wasser hineinwirft. Dabei nimmt die Spannung ab. Wird von dem Mädchen diese Schrittspannung überbrückt, kann Strom fließen und der Blitzeinschlag ist immer noch lebensgefährlich. Es ist lebensgefährlich an Hochspannungsleitungen Drachen steigen zu lassen. Durch den Drachen kann der Strom zu dem Jungen gelangen und ihn töten. 19

20 Das Mädchen ist noch mit dem Strom verbunden, wenn der Junge sie jetzt anfasst, hängt er auch am Strom. Deswegen: Bei einem Stromunfall immer erst die Sicherung herausnehmen, bzw. den Notausknopf drücken. Hier ist die Gefahr, dass das elektrische Kabel in der Nähe von Wasser ist. Ist es jetzt kaputt o.ä. und kommt mit dem Wasser in Berührung kann es gefährlich werden, da Wasser Elektrizität sehr gut leitet. 20

21 Das Kabel ist beschädigt, berührt man es zufällig fließt Strom durch den Menschen. Daher: Kaputte Stromkabel nicht mehr verwenden und sofort vom Experten reparieren lassen. Das Berühren von Hochspannungsleitungen ist lebensgefährlich. 21

22 Wenn der Junge den Strom nicht ausgeschalten hat (= Sicherung heraus gemacht hat) ist es lebensgefährlich die Birne herauszudrehen. Das Stromkabel wurde durch die Tür gelegt. Schließt man die Tür, wird das Stromkabel eingeklemmt und kann dadurch beschädigt werden. Berührt man das beschädigte Kabel, fließt Strom durch den Menschen, was sehr gefährlich ist. 22