Skript Elektrizität Klasse 2e Februar Skript Elektrizität

Transkript

1 Skript Elektrizität 1

2 Elektrostatik Die elektrische Ladung gibt an, wie groß der Elektronenüberschuss bzw. Elektronenmangel eines Körpers ist. Formelzeichen: Q; Einheit: 1 C (Coulomb) Definiere die folgenden Begriffe mit deinen eigenen Worten oder durch Skizzen. Elektron: Positive und negative elektrische Ladung: 2

3 Was passiert, wenn folgende Ladungen aufeinander treffen. Nenne ein Beispiel dazu: + -: + +: - -: Erkläre anhand der Abbildung was passiert ist, wenn ein elektrisch neutraler Hartgummistab an einem Wolltuch gerieben wird bzw. ein Glasstab an einem Seidentuch? 3

4 Leiter und Nichtleiter Der Elektronenfluss d.h. der Transport kleinster negativer, elektrischer Ladungen wird als Strom bezeichnet. Werden die Pole einer Batterie leitend miteinander verbunden, treten die überschüssigen Elektronen am Minuspol der Spannungsquelle aus, fließen durch den Leitungsdraht und treten am elektronenmangelnden Pluspol wieder in die Spannungsquelle ein. In diesem Fall spricht man von einem elektrischen Stromkreis. Ein Elektronenfluss kann jedoch nur erfolgen, wenn der Stromkreis geschlossen ist, also wenn zwischen den Polen eine geschlossene Anordnung aus leitendem Material besteht. Voraussetzung dafür ist, dass alle Komponenten des Stromkreises (Stromquelle, Leiter und Verbraucher) leitende Materialien besitzen, die miteinander in Verbindung stehen. Es existieren also Leiter und Nichtleiter. Leiter sind Materialien, in denen sich frei bewegliche Elektronen befinden, die den elektrischen Strom leiten. Untersucht verschiedene Materialen und Gegenstände auf ihre Leitfähigkeit? Notiert vor dem Experiment, was ihr erwartet? 4

5 Spannung und Stromstärke Wir stellen uns vor, dass bei der Herstellung einer Batterie ein Trennerli Elektronen vom Plus- zum Minus- Pol transportiert und ihnen dabei elektrische Energie in ihren Rucksack packt. Die elektrische Spannung U gibt an, wie viel elektrische Energie jedes Elektron in seinem Rucksack hat (siehe Bild unten). Dies heisst die Spannung wird angegeben mit der Energie über die Ladung und wird mit der Einheit Volt angegeben. Ein Volt (=V) bedeutet, dass jedes Elektron eine elektrische Energie von 1.6 *10-19 Joule besitzt. Desto kräftiger das Trennerli in der Batterie ist, desto mehr Energie kann es einem Elektron geben, daher desto höher ist die Spannung der Batterie. Ein elektrischer Stromkreis entsteht, wenn der Plus- und Minuspol einer Spannungsquelle mit einem Stromkreis verbunden werden. So können Elektronen wieder an ihren Ausgangsort zurückkehren, wobei aber unterwegs das Elektron seinen Rucksack leeren muss. Es gibt seine elektrische Energie an den Verbraucher, zum Beispiel einer Lampe ab. Die Stromstärke ist die Anzahl Elektronen, welche pro Zeit durch einen Draht fliessen. 1 A (Ampere) = Pro Sekunde fliesst 1 Coloumb (Ladung) durch eine bestimmte Stelle. Verhalten Spannung und Stromstärke in einer Serie- oder Parallelschaltung: Serienschaltung: U Total = Parallelschaltung: U Total = Serienschaltung: I Total = Parallelschaltung: I Total = 5

6 Experiment Serie- und Parallelschaltung: 1. Schliesst zwei Lämpchen (3.8V, 0.07A) in Serie an. Die Spannungsquelle wird mit 4V eingestellt. Messt die Spannung über jedem Lämpchen und die Gesamtspannung. Zeichnet den dazugehörigen Stromkreis und notiert wo ihr die Spannung gemessen habt. Was erkennt ihr für eine Gesetzmässigkeit? Tragt diese in die gelben Felder ein. 2. Messt bei derselben Serienschaltung wie bei (1) die Stromstärke vor und nach jedem Lämpchen und die Gesamtstromstärke. Zeichnet den dazugehörigen Stromkreis und notiert wo ihr die Stromstärke gemessen habt. Was erkennt ihr für eine Gesetzmässigkeit? Tragt diese in die gelben Felder ein. 6

7 3. Schliesst zwei Lämpchen (3.8V, 0.07A) parallel an. Die Spannungsquelle wird mit 4V eingestellt. Messt die Spannung über jedem Lämpchen und die Gesamtspannung. Zeichnet den dazugehörigen Stromkreis und notiert wo ihr die Spannung gemessen habt. Was erkennt ihr für eine Gesetzmässigkeit? Tragt diese in die gelben Felder ein. 4. Messt bei derselben Parallelschaltung wie bei (3) die Stromstärke vor und nach jedem Lämpchen und die Gesamtstromstärke. Zeichnet den dazugehörigen Stromkreis und notiert wo ihr die Stromstärke gemessen habt. Was erkennt ihr für eine Gesetzmässigkeit? Tragt diese in die gelben Felder ein. 7

8 5. Erklärt die erhaltenen Gesetzmässigkeiten mit dem Trennerlimodel. 8

9 Das ohmsche Gesetz Experiment Tauchsieder: Das ohmsche Gesetz zeigt folgenden Zusammenhang auf. Wird an ein Objekt eine elektrische Spannung angelegt, so verändert sich der hindurchfließende elektrische Strom in seiner Stärke proportional zur Spannung. Mit anderen Worten, der als Quotient aus Spannung und Stromstärke definierte elektrische Widerstand (R) ist konstant, also unabhängig von Spannung und Stromstärke. Die Einheit des elektrischen Widerstands wird in Ohm Ω angegeben. Ohmsches Gesetz: U= Serienschaltung: R Total = Parallelschaltung: R Total =( 1 R1 + 1 R2 )- 1 9

10 Beschreibe anhand des Trennerlimodel das Verhalten der Elektronen, wenn die Spannung ansteigt und wenn ein Wiederstand im Stromkreis ist. Beschreibe den Gesamtwiderstand in einer Serienschaltung und trage dein Resultat in den gelben Kasten auf S.9 ein. Zeichne den Stromkreis und wo du den Widerstand gemessen hast. 10

11 Aufgaben Erstellt ein Stromkreis in dem eine Lampe in Serie und zwei Lampen parallel geschalten sind. Stellt 12 V bei der Stromquelle ein. a) Zeichnet den Stromkreis und messt die Gesamtspannung und die Spannung über den einzelnen Lämpchen. b) Wir nehmen an das eine Gesamtstromstärke von 1A vorhanden ist. Zeichne im Stromkreis ein, wo man wie viele Ampere messen würde. Erstellt einen Stromkreis mit 3 Widerständen parallel geschaltet. a) Messt die einzelnen Spannungen und die Gesamtspannung sowie die einzelnen Widerstände und den Gesamtwiderstand. Berechne daraus die einzelnen Stromstärken und die Gesamtstromstärke b) Überprüfe deine Resultate mit der Formel I Total = I 1 + I 2 11

12 Das Lämpchen (3.8V, 0.07A) soll an eine Stromquelle mit 8V angeschlossen werden. Damit es nicht zerstört wird, muss ein Widerstand in Serie dazu geschaltet werden. a) Zeichne den Stromkreis und berechne wie gross der Widerstand sein muss. Berechne den Gesamtwiderstand. R1=30Ω, R2=40Ω, R3=45Ω, R4=80Ω, R5=R6=35Ω, R7=10Ω, R8=5Ω 12

13 Zusatzaufgaben Schalter 1. Erstellt einen Stromkreis mit einem Wienerl i als Widerstand. Notiert euch was passiert. Versucht die Reaktion zu erklären. Versuch wird nur mit Lehrperson durchgeführt. 2. Ein Lämpchen soll mit einem Schalter ein und ausgeschaltet werden können. Zeichne den erstellten Stromkreis. 13

14 3. Eine Ampel soll durch Betätigen eines Schalters von Rot auf Grün und umgekehrt geschaltet werden. Definiert dabei ein Lämpchen als rote Ampel und ein Lämpchen als grüne Ampel. Zeichnet den erstellten Stromkreis. Was ist ein Umschalter, erklärt mit dem nebenstehenden Bild. 4. Ein Lämpchen soll von zwei Stellen aus ein- und ausgeschaltet werden können. Zum Beispiel in einem Treppenhaus eines Hauses im Parterre und im 1. Stock. Zeichne den erstellten Stromkreis und beschreibt euer Vorgehen. 14

15 Ohmisches Gesetzt 5. Messt mit dem Ohmmeter von einem 33Ω Widerstand den genauen Wert (zb Ω). Erstellt mit diesem Widerstand einen Stromkreis und messt die genaue Spannung mit dem Voltmeter, wenn ihr die Spannungsquelle auf 0, 2, 4, 6, 8, 10, 12V einstellt. Fügt eure Resultate in untenstehende Tabelle ein und rechnet damit die Stromstärke aus. Zeichnet den dazugehörigen Graph und interpretiert diesen. X- Achse: Spannung, Y- Achse: Stromstärke Wie würden sich die Werte für die Stromstärke verändern bei einem grösseren Widerstand? U [V] I [A] 15

16 Serie- und Parallelschaltung 6. Welche Funktion haben die beiden Widerstände R1 und R2. Spannungsquelle=12V Berechne die Werte der beiden Widerstände, sowie den Gesamtwiderstand im Stromkreis. Elektrostatik 7. Nimm einen Kunststoffstab und reibe diesen an einem Fell. Anschliessend gehst du zum Wasserhahn und stellst einen feinen Wasserstrahl ein. Nähere den Kunststoffstab dem Wasserstrahl. Was passiert, erkläre. 16

17 Zitronenbatterie 8. Schneide eine Zitrone in 1 cm dicke Scheiben, so dass du an das Fruchtfleisch herankommst. Nimm eine Zink und eine Kupferplatte. Lege sie parallel auf den Tisch, so dass sie sich nicht berühren und verbinde die beiden Platten mit dem Zitronenfleisch (Mache zwei parallele Schnitte in die Zitronenscheibe und setzte sie auf die Platten). Anschliessend befestigst du zwei Krokodilklemmen an je einer Platte und hängst die Enden an ein Voltmeter an. Miss die Spannung. Notiere deine Beobachtungen. Zusatz: Setzte mehrere Zitronenbatterien hintereinander (Serie) und versuche ein Led Lämpchen zum Leuchten zu bringen. Miss die Spannung mit dem Voltmeter. Erklärung Zitronenbatterie: Erklärung: Das Zink wird oxidiert, das heisst es werden Elektronen abgegeben und das Zink wird positiv geladen (Katode): Zn à Zn e - An der Kupferelektrode findet ein Reduktion statt, dass heisst Elektronen werden aufgenommen, eine negative Ladung entsteht (Anode): 2H + +2e - à H 2 Das Zink stellt also den Minus- Pol dar, das Kupfer den Pluspol. 17

18 Elektrische Leistung Die Leistung gibt an, wie viel elektrische Energie ein Verbraucher pro Zeit verbraucht, daher wie vielenergie er in zum Beispiel Wärme oder Licht umwandelt. Die Einheit kwh (Kilowattstunde) bezeichnet die Energie, somit ist 1kWh (=3.6 Millionen Joule) die elektrische Leistung, die ein Gerät mit einer Leistung von 1 kw in einer Stunde verbraucht. Elektrische Leistung: P=U*I Aufgaben Du nimmst einen Tauchsieder (230V, 435Ω) mit nach Amerika. Die Spannung aus den Steckdosen in Amerika betragen 110V. Was passiert? 0 Der Tauchsieder funktioniert nicht. 0 Die Stromstärke ist nur halb so gross. Es dauert deshalb länger bis das Wasser warm ist. 0 Der Tauchsieder geht kaputt. Was passiert mit einem Tauchsieder (96W/8A). Begründe? Eine Halogenlampe trägt die Aufschrift 12V/25W. Wie gross sind die Stromstärke und der Widerstand? Welche Energie verbraucht die Lampe, wenn sie 5 Tage im Schnitt 3 h brennt? Wir haben zwei Halogenlampen (12V/25W) und eine Spannungsquelle von 24V. 0 Ich muss die beiden Lampen in Serie schalten 0 Ich muss die Lampen parallel schalten 0 Ich kann die Lampen mit dieser Stromquelle nicht anschliessen. Begründe deine Antwort. 18

19 Drei Lampen werden in Serie geschaltet. Berechne die fehlenden Angaben, wenn die Lampen 3 Stunden brennen zu einem kwh Preis von 30 Rappen. Lampe 1 Lampe 2 Lampe 3 Spannung [V] 40 U total = Stromstärke [A] I total = 16A Widerstand [Ω] R total = Ω Leistung [W] Energie [kwh] Kosten [CHF] Total Kosten = Welche Lampe ist ökologischer, also verbraucht weniger Strom? L1(230V/500A) oder L2(200V/0.25Ω)? Rechne für folgende 3 Lampen die Gesamtkosten für h bei einem kwh Preis von 30 Rappen aus. Welche Lampe ist am ökologischsten und welche am billigsten? Lebensdauer Spannung Leistung Kosten pro Lampe LED Lampe h 230V 9W 90 CHF. Halogenlampe h 230V 20W 5 CHF. Glühbirne h 230V 60W 1.50 CHF. 19

20 Magnetismus Erdmagnetismus Man weiss heute, dass das flüssige Eisen des äusseren Kerns im Innern der Erde am festen Eisenkern aufgeheizt und am Mantel abgekühlt wird. Dadurch entsteht eine Konvektionsströmung (Erdplatten verschieben sich), die durch Corioliskräfte (weil Erde sich mitdreht, Verschiebung auf Kreisbogen) infolge der Erddrehung verdrillt wird. Diese Strömung erzeugt das Magnetfeld der Erde. Aus der Magnetisierung von Gesteinen weiss man, dass das Magnetfeld seine Pole wechseln kann. Die letzte Umpolung fand vor 780`000 Jahren statt. Magnet Erkläre in deinen Worten die Eigenschaften eines Magneten. Mache dazu eine Skizze. Beschrifte richtig. 20

21 Elektromagnetismus- Spule 1820 entdeckte der Physiker Oersted, dass elektrischer Strom eine Kompassnadel ablenkt und war somit der erste der einen Zusammenhang zwischen Magnete und Strom herstellte. Da das Magnetfeld schwach ist, braucht man ziemlich grosse Ströme um eine Wirkung zu erzielen. Um diesem entgegen zu wirken, kann der Draht zu einer Spule gewickelt werden mit einem Eisenkern darin. So entsteht ein Magnetfeld, welches durch die Spule hindurchgeht und aussen herum zieht. Dieses Magnetfeld zieht nun Metalle an. Erkläre wie die elektrische Klingel, welche in der untenstehenden Abbildung gezeichnet ist, funktioniert. 21

22 Elektromotor Beschrifte die Abbildungen und verwende dabei folgende Begriffe: Magnetischer Nord- und Südpol, Nord- und Südpol der Spule, Spannungsquelle Die Nr. 3 in der Abbildung ist ein Kommutator, ein Stromwender. Schaut im Internet nach, was für eine Funktion dieser hat. Schreibt auf was in den drei Schritten von a- c in der Abbildung passiert. 22

23 Wiederholungsaufgaben Aufgabe 1 Was versteht man unter der Stromstärke? Welche Einheit und welches Formelzeichen hat diese? Wir haben eine Spannung von 10V und einen Widerstand von 2Ω. Berechne die Stromstärke. Wie verhält sich die Stromstärke in einer Serie- und einer Parallelschaltung? Vier Lampen (48V,12Ω) werden parallel an eine Spannungsquelle von 24V angeschlossen. Wie stark leuchten die Lampen? Berechne die Gesamtstromstärke und den Gesamtwiderstand? Aufgabe 2 Was versteht man unter der Spannung? Welche Einheit und welches Formelzeichen hat diese? Welche Spannung verträgt eine Lampe maximal, wenn diese mit 50W/5A angeschrieben ist? Wie verhält sich die Spannung in einer Serie- und einer Parallelschaltung? 5 Lampen (60W/6A) werden in Serie an eine Spannungsquelle mit 70 V geschlossen. Berechne die Spannung der Lampen, die Gesamtspannung, den Widerstand und den Gesamtwiderstand. Können die Lampen so angeschlossen werden? 23

24 Aufgabe 3 Wie lautet das ohm`sche Gesetz? Wie verhält sich die Stromstärke zur Spannung und zum Widerstand? Wie verändert sich die Stromstärke bei einem konstanten Widerstand von 0.5Ω bei 2, 4, 6, 8, 10V. Erstelle eine Wertetabelle und zeichne ein V- I- Diagramm. Zwei unterschiedliche Lampen sind parallel geschaltet. Die Gesamtspannung beträgt 24V, der Gesamtwiderstand beträgt 1.875Ω und L1 hat einen Widerstand von 5Ω. Berechne dem Widerstand von L2, die einzelnen Stromstärken und die Gesamtstromstärke. Spannung[V] Stromstärke [A] 24

25 Aufgabe 4 Wie lautet die Formel zur Berechnung der elektrischen Leistung? Welche Einheit und welches Formelzeichen hat diese? Berechne die elektrische Leistung eines Föns (9A), welcher an einer Spannungsquelle mit 230V angeschlossen ist und wie viel dieser in einem Jahr (365 Tage) kostest, wenn er jeden Tag 15 Minuten gebraucht wird? Die Stromkosten betragen 30 Rappen pro kwh. Wie lange kann ich pro Tag für die gleichen Stromkosten den Fernseher (0.1A) laufen lassen bei gleicher Spannungsquelle? Zeichne eine Spule mit dem elektrischen Feld. Beschreibe wie die Anzahl Windungen und die Stärke des Magnetes zusammenhängen. 25