Inhaltsverzeichnis. 7. Astronomie Sonnen- und Mondfinsternis Was können wir sehen? Sonnenuhren Sternkarten...

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1 Inhaltsverzeichnis 1. magnetische Phänomene... 4 Strom und Spannung... 6 Der Versuch von Oersted... 8 Spule und Relais Arten von Magnetismus Magnetische Influenz Das Erdmagnetfeld Magnetische Induktion Messgeräte und Motoren Generatoren und Kraftwerke Erweiterungsstoff: Rundfunk Erweiterungsstoff: Diode und Transistor Verschiedene Elektrogeräte Experimente Kernphysik Was die Welt zusammenhält Alpha-Strahlung Beta-Strahlung Gamma-Strahlung Gefahren radioaktiver Strahlung Kernspaltung und Kernfusion Kernreaktoren Gefahren Physik in der Medizin EKG, EEG und MEG Röntgenstrahlung Ultraschall PET Erweiterungsstoff: NMR Die Welt des Sichtbaren Licht und Reflexionen Schatten und Spiegel Gebogene Spiegel Optische Brechung Sammel- und Zerstreuungslinse Das Auge und seine Fehler Camera Obscura und Fotos Fernrohr und Mikroskop Die Farben des Regenbogens Was ist Licht? Experimente Die Welt der Quanten Lichtteilchen Atome Aus der Geschichte Gekrümmte Wege Kräfte bei Bewegungen Kräfte bei der Kreisbewegung Bewegungen im Vergnügungspark Satellitenbahnen Planetenbahnen Erweiterungsstoff: Relativitätstheorie Astronomie Sonnen- und Mondfinsternis Was können wir sehen? Sonnenuhren Sternkarten Lexikon Stichwortverzeichnis Sternkarte

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3 004_027_Elektro :03 Uhr Seite 6 Strom und Spannung Für die meisten Menschen kommt der Strom aus der Steckdose. Aber eigentlich handelt es sich bei der Elektrizität um ein relativ einfaches Phänomen, das einen sehr wichtigen Einfluss auf unser Leben hat. Abb. 1: Da kommt der Strom heraus, aber was steckt dahinter? A1 Welche Geräte fallen dir ein, die mit Strom betrieben oder durch Strom gesteuert werden? Für den Strom beziehungsweise für die Spannung ist das Elektron wichtig. Ein Atom besteht aus dem Atomkern, der wieder aus Protonen und Neutronen besteht, und aus Elektronen. Die Elektronen befinden sich in der Hülle um den Atomkern. Protonen und Elektronen haben eine elektrische Ladung. Das Elektron ist negativ geladen, während das Proton positiv geladen ist. Abb. 2: Schematische Darstellung eines Atoms Werden zwei Elektronen aufeinandergeschossen, stoßen sie sich ab. Dies gilt auch für zwei Protonen. Gleichnamige Ladungen stoßen einander ab. Umgekehrt ziehen sich Elektronen und Protonen an. Möglicherweise bildet sich ein Wasserstoffatom. Ungleichnamige Ladungen ziehen sich an. Bewegen sich viele Elektronen gleichzeitig in eine Richtung, dann sprechen wir von elektrischem Strom. Unter der elektrischen Stromstärke versteht man die Menge der Elektronen, die pro Sekunde durch den Querschnitt eines Leiters durchlaufen. Die Einheit ist das Ampere (A). Abb. 3: Treffen sich zwei Elektronen, stoßen sie einander ab. Protonen und Elektronen ziehen einander an. Je mehr Elektronen gleichzeitig durch einen Draht fließen, desto höher ist die Stromstärke. Bei einem Ampere strömen in jeder Sekunde rund 6 Trillionen Elektronen durch den Draht. Das sind Elektronen! Welchen Grund haben die Elektronen, sich in eine Richtung zu bewegen? Dafür ist die Spannung verantwortlich. Die Elektronen werden in eine Richtung gedrückt beziehungsweise gezogen. Abb. 4: Wenn sich Elektronen in eine Richtung bewegen, sprechen wir von Strom. Eine Batterie bzw. Stromquelle hat einen Plus- und einen Minuspol. Am Pluspol befinden sich kaum Elektronen, während am Minuspol ein Überschuss an Elektronen herrscht. Die Elektronen am Minuspol drücken andere Elektronen weg, da sich Elektronen abstoßen. Umgekehrt werden die Elektronen vom Pluspol angezogen. Sollen aber Elektronen zwischen Plus- und Minuspol verschoben werden, muss dafür Arbeit geleistet werden: 6

4 004_027_Elektro :03 Uhr Seite 7 Die Arbeit, die nötig ist, um Elektronen zwischen dem Bereich des Elektronenmangels und dem Bereich des Elektronenüberschusses zu verschieben, ist proportional zur elektrischen Spannung. Die Einheit der Spannung ist das Volt (V). Wenn zwei Körper den gleichen Elektronenmangel oder den gleichen Elektronenüberschuss haben, herrscht zwischen diesen Körpern keine Spannung. Bei der Spannung ist es immer wichtig anzugeben, zwischen welchen beiden Punkten welche Spannung herrscht. Gibt es einen großen Mangel an einem Pol und einen großen Überschuss an einem anderen Pol, haben wir eine hohe Spannung zwischen diesen beiden Polen. Abb. 5: Die Elektronen werden vom Minuspol abgestoßen und vom Pluspol angezogen. Der Physiker Georg Simon Ohm stellte fest, dass es zwischen dem Strom und der Spannung einen Zusammenhang gibt. Dieser Zusammenhang hängt vom Material ab und wird als elektrischer Widerstand bezeichnet. Die Spannung ist proportional zum Strom. Es gilt U = R I, wobei R der elektrische Widerstand ist. Die Einheit des elektrischen Widerstandes ist das Ohm (Ω). Dieser Zusammenhang zwischen Strom, Spannung und elektrischem Widerstand wird als Ohm sches Gesetz bezeichnet. Abb. 6: Der Physiker Georg Simon Ohm ( ) EXPERIMENT Der Spannungsteiler Verbinde die Enden einer Bleistiftmine mit den Polen einer Batterie. Verbinde nun einen Pol einer Glühbirne mit einem Pol der Batterie und befestige einen blanken Draht am anderen Pol der Glühbirne. Wenn der blanke Draht mit der Bleistiftmine in Berührung kommt, leuchtet die Lampe auf. Probiere unterschiedliche Stellen auf der Bleistiftmine aus wie hell leuchtet das Lämpchen? Begründe die Beobachtungen! 7

5 004_027_Elektro :03 Uhr Seite 8 Der Versuch von Oersted In der Physik kannte man schon sehr früh elektrostatische Phänomene. Bereits die alten Griechen wussten, dass man mit Bernstein Funken erzeugen konnte. Wenn man Bernstein reibt, kann man kleine Papierschnipsel anziehen und wenn man besonders heftig reibt, können auch kleine Blitze entstehen. Abb. 1: Historische Experimente zur Elektrizität Abb. 2: Magneten, in einem Kompass, helfen bei der Navigation auf hoher See. Auch der Magnet war schon bekannt. Man erkannte, dass sich spezielle Eisensteine, wenn man sie auf ein im Wasser schwimmendes Stück Holz legte, nach Norden ausrichten. Das war für die Seefahrt sehr wichtig, denn so konnte man sicher durch die sieben Weltmeere navigieren. Man stellte fest, dass diese Steine interessante Eigenschaften haben. Es gibt immer zwei gegenüberliegende Bereiche mit entgegengesetzten Eigenschaften. Diese Bereiche bezeichnet man als magnetische Pole. Der Bereich, der nach Norden zeigt, wird als magnetischer Nordpol bezeichnet, während der Bereich, der nach Süden zeigt, als magnetischer Südpol bezeichnet wird. Man war sehr erstaunt, als man diese Eisensteine zu zersägen begann. Jetzt hatten beide Stücke jeweils einen magnetischen Nordpol und je einen magnetischen Südpol. Man machte viele Experimenten mit diesem magnetischen Gestein, aber es brauchte lange, bis man seine Geheimnisse lüftete. Abb. 3: Die Magnetnadel stellt sich senkrecht zum stromdurchflossenen Draht. Man vermutete schon lange, dass elektrische Phänomene mit magnetischen Phänomenen verwandt sind. Man stellte fest, dass elektrische und magnetische Kräfte gleich stark sind und dass sie auch in gleicher Entfernung gleich abnehmen (schwächer werden): doppelter Abstand bedeutet ein Viertel der Kraft. So haben wir in der Elektrizität zwei Pole: einen elektrischen Plus- und einen elektrischen Minuspol. Beim magnetischen Gestein haben wir ebenso zwei Pole: einen Nord- und einen Südpol. Also müsste es doch einen Zusammenhang geben. Viele Physiker haben darüber nachgedacht, aber die Lösung kam etwas unerwartet. Abb. 4: Der von einem Strom durchflossene Draht bewegt sich zum Magneten. Hans Christian Oersted ( ) war einer jener Physiker, die einen Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus suchten. Er war ein ziemlich unbeholfener Experimentator, der selbst für die einfachsten Versuche einen Assistenten benötigte hielt er eine Vorlesung, in der ihm der Zufall geholfen hat. Er hielt einen stromdurchflossenen Draht neben eine Magnetnadel. Die Magnetnadel drehte sich im rechten Winkel zum Draht. Wenn man den Strom ausschaltete, orientierte sich die Nadel wieder nach Norden. Damit gab es ein Experiment, bei dem ein elektrischer Effekt einen Magneten beeinflusst. 8

6 004_027_Elektro :03 Uhr Seite 9 Nach diesem Experiment stellte sich die Frage, ob auch umgekehrt Magneten einen Einfluss auf einen stromdurchflossenen Leiter haben. Mit dieser Frage beschäftigten sich die Physiker Faraday, Ampere und Lorentz. Man nimmt einen Draht und hängt ihn in die Nähe eines Magneten. Lässt man Strom durch den Draht fließen, bewegt sich der Draht zum Magneten hin oder er bewegt sich vom Magneten weg. Das hängt von der Stromrichtung ab. Damit hat man zwei wichtige Gesetze gefunden: Abb. 5: Bewegte Elektronen verursachen ein Magnetfeld! Bewegte Elektronen verursachen ein Magnetfeld. Im Magnetfeld wird die Bewegung der Elektronen abgelenkt. Mit diesen beiden Merksätzen kann man den gesamten Elektromagnetismus beschreiben und erklären! Nun hatte man die experimentellen Grundlagen geschaffen. Was fehlte, waren die mathematische Beschreibung und die Anwendungen im Alltag. James C. Maxwell gelang es durch Formeln alle Effekte des Elektromagnetismus und der Elektrizität mathematisch vollständig zu beschreiben. Die Gleichungen werden ihm zu Ehren Maxwell sche Gleichungen bezeichnet. Erst an der Universität lernt man mehr über diese Gleichungen. Abb. 6: Im Magnetfeld werden bewegte Elektronen abgelenkt. Mit diesen Entdeckungen begann eine neue Ära der Menschheit. Seitdem begleiten uns viele nützliche Erfindungen und täglich werden es mehr. Abb. 7: Die Maxwell schen Gleichungen für das Vakuum erst an der Universität EXPERIMENT Der Versuch von Oersted Lege einen kleinen Magneten auf ein Stück Kork oder Styropor, das im Wasser schwimmt. Der Magnet wird sich nach Norden ausrichten. Lege nun einen Draht einen Zentimeter über den Magneten und verbinde den Draht mit der Batterie. Was passiert mit dem Magneten? Wie kannst du das erklären? 9